JP2023171007A - Solid oxide fuel battery cell - Google Patents

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雅也 佐々木
Masaya Sasaki
和宏 樋口
Kazuhiro Higuchi
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Abstract

To provide a solid oxide fuel battery cells with which it is possible to control the reactivity of power generation reaction and equalize the power generation distribution in the cell plane.SOLUTION: Provided is a solid oxide fuel battery cell comprising an electrolyte layer 20 that has ion conductivity to pass oxide ions through, an anode layer 22 that is provided to one side of the electrolyte layer 20, and a cathode layer that is provided to the other side of the electrolyte layer 20. The anode layer 22 includes an electron conduction phase 32 that conducts electrons, an ion conduction phase 34 that conducts ions, and a void phase 36 that diffuses a fuel gas. The degree of flexion of one of the electron conduction phase 32, the ion conduction phase 34, and the void phase 36 in the upstream region of the anode layer 22 is larger than the degree of flexion of one of the electron conduction phase 32, the ion conduction phase 34, and the void phase 36 in the downstream region of the anode layer 22, which composition makes it possible to equalize the power generation distribution of the anode layer 22.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、電解質層、アノード層及びカソード層を備えた固体酸化物形燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer, an anode layer and a cathode layer.

固体酸化物形燃料電池セル(以下、「燃料電池セル」と称することもある。)として、酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、この電解質層の片面側に設けられたアノード層(燃料極)と、この電解質層の他面側に設けられたカソード層(空気極)とを有するものが知られている。このような燃料電池セルでは、アノード層側に燃料ガス(例えば、水素)が供給され、カソード層に酸化剤ガス(例えば、空気)が供給される。 A solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as a "fuel cell") includes an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, and an anode layer provided on one side of this electrolyte layer. A device having a fuel electrode (fuel electrode) and a cathode layer (air electrode) provided on the other side of the electrolyte layer is known. In such a fuel cell, fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the anode layer side, and oxidizing gas (for example, air) is supplied to the cathode layer side.

この固体酸化物形燃料電池セルにおいては、カソード層では、
カソード層(空気極)側の反応:1/20+2e → O2- ・・・(1)
の反応が起こり、このカソード層側で生成された酸化物イオンが電解質層を通してアノード層側に流れ、アノード層では、
アノード層(燃料極)側の反応:H+O2- → HO+2e ・・・(2)
の反応が起こり、このような発電反応により発電が行われる。
In this solid oxide fuel cell, in the cathode layer,
Reaction on the cathode layer (air electrode) side: 1/20 2 +2e - → O 2-... (1)
The reaction occurs, and the oxide ions generated on the cathode layer side flow to the anode layer side through the electrolyte layer, and in the anode layer,
Reaction on the anode layer (fuel electrode) side: H 2 + O 2- → H 2 O+2e - (2)
The following reaction occurs, and power generation is performed by such a power generation reaction.

このような燃料電池セルの発電反応は、燃料ガス(例えば、水素)の濃度が高い流入側に集中し、発電電流が流れる発電箇所では抵抗発熱(オーム発熱)が発生することから、燃料電池セルの流入側の温度が局所的に高くなる傾向にある。燃料電池セルの流入側で局所的に温度勾配が大きくなると、その部位に熱応力が発生し、燃料電池セル(電解質層、アノード層又はカソード層)が破損するおそれが生じる。 Such a power generation reaction in a fuel cell is concentrated on the inflow side where the concentration of fuel gas (for example, hydrogen) is high, and resistance heat generation (ohmic heat generation) occurs at the power generation point where the power generation current flows. The temperature on the inflow side tends to increase locally. When the temperature gradient locally increases on the inflow side of the fuel cell, thermal stress is generated in that region, and there is a risk that the fuel cell (electrolyte layer, anode layer, or cathode layer) will be damaged.

そこで、燃料電池セルの流入側での局所的な温度勾配の上昇を抑えるために、燃料電池セルのアノード層の流出側部位の気孔率をその流入側部位の気孔率よりも大きくしたものが提案されている(特許文献1参照)。この燃料電池セルにおいては、アノード層の流入側部位においてはアノード層の気孔率が小さく、アノード層の流出側部位ではその気孔率が大きく、このように構成することによって、この流出側部位においてアノード層での反応界面への水素の移動、また発電反応により発生した水蒸気(HOガス)の放出に対する抵抗が小さくなるようにしている。これによって、アノード層の下流側部位における燃料ガスの拡散性が高められ、燃料ガスの濃度が低いアノード層の流出側部位の反応性が高くなり、アノード層での発電分布の均一化を図っている。 Therefore, in order to suppress the rise in the local temperature gradient on the inflow side of the fuel cell, it has been proposed that the porosity of the outflow side of the anode layer of the fuel cell is greater than that of the inflow side. (See Patent Document 1). In this fuel cell, the porosity of the anode layer is small at the inflow side portion of the anode layer, and the porosity is large at the outflow side portion of the anode layer. The resistance in the layer to the movement of hydrogen to the reaction interface and the release of water vapor (H 2 O gas) generated by the power generation reaction is reduced. This increases the diffusivity of the fuel gas in the downstream part of the anode layer, increases the reactivity of the outflow side part of the anode layer where the concentration of fuel gas is low, and makes the power generation distribution in the anode layer more uniform. There is.

また、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の気孔率を変えることに代えて、燃料電池セルのアノード層の厚みを変えたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この燃料電池セルにおいては、アノード層の流入側部位ではその厚みが厚く、アノード層の流出側部位ではその厚みが薄く、これによって、この流出側部位における燃料ガスの拡散性が高められ、アノード層での発電分布の均一化を図っている。 Furthermore, instead of changing the porosity of the anode layer in the flow direction of fuel gas, it has been proposed to change the thickness of the anode layer of the fuel cell (for example, see Patent Document 2). In this fuel cell, the thickness of the anode layer is thick at the inflow side part, and the thickness is thin at the outflow side part of the anode layer, which increases the diffusivity of the fuel gas at this outflow side part, and the anode layer The aim is to equalize the distribution of power generation.

特開2012-94427号公報JP2012-94427A 特許第6118694号公報Patent No. 6118694

従来の固体酸化物形燃料電池セルでは、アノード層での発電分布を均一化するために燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の気孔率又はその厚みを変化させているが、これらの気孔率及び厚み以外のファクターでもって発電反応の反応性をコントロールできる燃料電池セルの実現が望まれていた。 In conventional solid oxide fuel cells, the porosity or thickness of the anode layer in the flow direction of the fuel gas is changed in order to equalize the power generation distribution in the anode layer. It has been desired to realize a fuel cell in which the reactivity of the power generation reaction can be controlled by other factors.

本発明の目的は、発電反応の反応性をコントロールしてセル面内(アノード層及び/又はカソード層)での発電分布の均一化を図ることができる固体酸化物形燃料電池セルを提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can control the reactivity of the power generation reaction and make the power generation distribution uniform within the cell surface (anode layer and/or cathode layer). It is.

本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルは、酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、前記電解質層の片面側に設けられたアノード層と、前記電解質層の他面側に設けられたカソード層とを有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含んでおり、
前記燃料ガスの流れ方向上流側に位置する前記アノード層の上流側部位における前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度は、前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する前記アノード層の下流側部位における前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の屈曲度よりも大きいことを特徴とする。
The solid oxide fuel cell according to claim 1 of the present invention includes an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, an anode layer provided on one side of the electrolyte layer, and an anode layer provided on one side of the electrolyte layer. A solid oxide fuel cell having a cathode layer provided on the other side,
The anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas,
The degree of curvature of at least one of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in the upstream region of the anode layer located upstream in the flow direction of the fuel gas depends on the direction of flow of the fuel gas. The degree of curvature is greater than the degree of curvature of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in a downstream region of the anode layer located downstream.

また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記アノード層の前記上流側部位における前記空隙相の屈曲度は、前記アノード層の前記下流側部位における前記空隙相の屈曲度よりも大きいことを特徴とする。 In the solid oxide fuel cell according to claim 2 of the present invention, the degree of curvature of the void phase in the upstream portion of the anode layer is equal to the degree of curvature of the void phase in the downstream portion of the anode layer. It is characterized by a greater degree of curvature.

また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、ガスを拡散させる空隙相とを含み、酸化剤ガスの流れ方向上流側に位置する前記カソード層の上流側部位の前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度は、前記酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位の前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の屈曲度よりも大きいことを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell according to claim 3 of the present invention, the cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses gas. The degree of curvature of at least one of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in the upstream portion of the cathode layer located upstream in the flow direction of the oxidant gas The degree of curvature is greater than the degree of curvature of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in the downstream portion of the cathode layer located downstream in the gas flow direction.

また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記アノード層の前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてアノード三相界面を構成し、前記アノード層の前記下流側部位の前記アノード三相界面の密度は、前記アノード層の前記上流側部位の前記アノード三相界面の密度よりも大きいことを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell according to claim 4 of the present invention, the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase of the anode layer are formed at a portion where these three phases contact each other. An anode three-phase interface is formed, and the density of the anode three-phase interface in the downstream part of the anode layer is higher than the density of the anode three-phase interface in the upstream part of the anode layer. .

また、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記アノード層の前記下流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が高い割合となっており、前記アノード層の前記上流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が低い割合になっていることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell according to claim 5 of the present invention, in the downstream region of the anode layer, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity ratio. In the upstream portion of the anode layer, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a low reactivity ratio.

また、本発明の請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池セルは、酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、前記電解質層の片面側に設けられたアノード層と、前記電解質層の他面側に設けられたカソード層とを有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてアノード三相界面を構成しており、
前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する前記アノード層の下流側部位の前記アノード三相界面の密度は、前記燃料ガスの流れ方向上流側に位置する前記アノード層の上流側部位の前記アノード三相界面の密度よりも大きいことを特徴とする。
Further, the solid oxide fuel cell according to claim 6 of the present invention includes an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, an anode layer provided on one side of the electrolyte layer, and an anode layer provided on one side of the electrolyte layer. A solid oxide fuel cell having a cathode layer provided on the other side of the layer,
The anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas. The anode three-phase interface is formed at the part where the three phases contact each other.
The density of the anode three-phase interface in the downstream part of the anode layer located downstream in the flow direction of the fuel gas is equal to the density of the anode three-phase interface in the upstream part of the anode layer located upstream in the flow direction of the fuel gas. It is characterized by a density greater than that of the phase interface.

また、本発明の請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてカソード三相界面を構成し、酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位の前記カソード三相界面の密度は、前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に位置する前記カソード層の上流側部位の前記カソード三相界面の密度よりも大きいことを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell according to claim 7 of the present invention, the cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and voids that diffuse oxidant gas. The electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase constitute a cathode three-phase interface at a portion where these three phases come into contact, and is located on the downstream side in the flow direction of the oxidant gas. The density of the cathode three-phase interface in the downstream region of the cathode layer is greater than the density of the cathode three-phase interface in the upstream region of the cathode layer located upstream in the flow direction of the oxidant gas. shall be.

また、本発明の請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記カソード層は、電子を伝導するとともにイオンを伝導する電子・イオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記電子・イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの二つの相が接触する部位にてカソード二相界面を構成し、酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位の前記カソード二相界面の密度は、前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に位置する前記カソード層の上流側部位の前記カソード二相界面の密度よりも大きいことを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell according to claim 8 of the present invention, the cathode layer includes an electron/ion conductive phase that conducts electrons and ions, and a void phase that diffuses oxidant gas. The electron/ion conduction phase and the void phase constitute a cathode two-phase interface at a portion where these two phases contact each other, and the cathode layer is located downstream of the cathode layer on the downstream side in the flow direction of the oxidant gas. The density of the cathode two-phase interface in the side portion is higher than the density of the cathode two-phase interface in the upstream portion of the cathode layer located upstream in the flow direction of the oxidant gas.

また、本発明の請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池セルは、酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、前記電解質層の片面側に設けられたアノード層と、前記電解質層の他面側に設けられたカソード層とを有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含んでおり、
前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する前記アノード層の下流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が高い割合となっており、前記アノード層の前記上流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が低い割合になっていることを特徴とする。
Further, the solid oxide fuel cell according to claim 9 of the present invention includes an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, an anode layer provided on one side of the electrolyte layer, and an anode layer provided on one side of the electrolyte layer. A solid oxide fuel cell having a cathode layer provided on the other side of the layer,
The anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas,
In the downstream part of the anode layer located downstream in the flow direction of the fuel gas, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity ratio, and in the upstream part of the anode layer is characterized in that the ion conductive phase and the electronic conductive phase have a low reactivity ratio.

更に、本発明の請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池セルでは、前記カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が高い割合となっており、前記カソード層の上流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が低い割合となっていることを特徴とする。 Furthermore, in the solid oxide fuel cell according to claim 10 of the present invention, the cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and voids that diffuse oxidant gas. In the downstream portion of the cathode layer located downstream in the flow direction of the oxidant gas, the ionic conductive phase and the electronic conductive phase have a high reactivity ratio, and the cathode layer The ion conductive phase and the electronic conductive phase have a low reactivity ratio in the upstream region.

本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含み、燃料ガスの流れ方向上流側に位置するアノード層の上流側部位における電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度は、燃料ガスの流れ方向下流側に位置するアノード層の下流側部位における電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の屈曲度よりも大きいので、この下流側部位での反応性が高められ、これによって、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布を均一化することができる。 According to the solid oxide fuel cell according to claim 1 of the present invention, the anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas. The degree of curvature of at least one of the electron conductive phase, ion conductive phase, and void phase in the upstream portion of the anode layer located on the upstream side in the flow direction of the fuel gas is Since the degree of tortuosity of the electron-conducting phase, ion-conducting phase and void phase is greater than that of the downstream region of the anode layer, the reactivity in this downstream region is enhanced, thereby increasing the anode layer in the flow direction of the fuel gas. power generation distribution can be made uniform.

例えば、アノード層の上流側部位における空隙相の屈曲度がその下流側部位の屈曲度よりも大きくなるように構成した場合、この下流側部位において燃料ガスが発電反応場(即ち、アノード層と電解質層との界面付近)に到達しやすくなり、これによって、この下流側部位におけるガス拡散性が高められ、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 For example, if the degree of curvature of the void phase in the upstream part of the anode layer is greater than the degree of curvature in the downstream part, the fuel gas will flow into the power generation reaction field (i.e., between the anode layer and the electrolyte) in this downstream part. As a result, the gas diffusivity in this downstream region is increased, and the power generation distribution of the anode layer in the flow direction of the fuel gas can be made uniform.

また、例えば、アノード層の上流側部位における電子伝導相の屈曲度がその下流側部位の電子伝導相の屈曲度よりも大きくなるように構成した場合、この下流側部位において電気伝導性が高くなり、これによって、この下流側部位の発電性能が高められ、その結果、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 Further, for example, if the degree of curvature of the electron conductive phase in the upstream region of the anode layer is configured to be greater than the degree of curvature of the electron conductive phase in the downstream region, the electrical conductivity will be high in this downstream region. As a result, the power generation performance of this downstream portion is improved, and as a result, the power generation distribution of the anode layer in the flow direction of the fuel gas can be made uniform.

更に、例えば、アノード層の上流側部位におけるイオン伝導相の屈曲度がその下流側部位のイオン伝導相の屈曲度よりも大きくなるように構成した場合、この下流側部位においてイオン伝導性が高くなり、これによって、この下流側部位の発電性能が高められ、その結果、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 Furthermore, for example, if the degree of curvature of the ion conductive phase in the upstream part of the anode layer is configured to be greater than the degree of curvature of the ion conductive phase in the downstream part, the ion conductivity will be high in this downstream part. As a result, the power generation performance of this downstream portion is improved, and as a result, the power generation distribution of the anode layer in the flow direction of the fuel gas can be made uniform.

アノード層における発電分布の均一化は、電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度を変えることによって発電分布の均一化を図ることができるが、これら三つの相のうち任意の二つの相、或いは三つ全ての相の屈曲度を変えることによって、アノード層の発電分布のより均一化を図ることができる。 The power generation distribution in the anode layer can be made uniform by changing the degree of curvature of at least one of the electron conductive phase, ion conductive phase, and void phase. By changing the degree of curvature of any two or all three phases, the power generation distribution of the anode layer can be made more uniform.

また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、アノード層の上流側部位における空隙相の屈曲度は、その下流側部位における空隙相の屈曲度よりも大きいので、この下流側部位におけるガス拡散性を高め、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell according to claim 2 of the present invention, the degree of curvature of the void phase in the upstream portion of the anode layer is greater than the degree of curvature of the void phase in the downstream portion thereof. , it is possible to improve the gas diffusivity in this downstream region and to equalize the power generation distribution of the anode layer in the flow direction of the fuel gas.

また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、酸化剤ガスの流れ方向上流側のカソード層の上流側部位の電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度は、酸化剤ガスの流れ方向下流側のカソード層の下流側部位の電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の屈曲度よりも大きいので、カソード層の下流側部位における反応性が高められ、これによって、酸化剤ガスの流れ方向におけるカソード層の反応分布の均一化することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell according to claim 3 of the present invention, at least the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in the upstream portion of the cathode layer on the upstream side in the flow direction of the oxidant gas. The degree of curvature of any one phase is larger than the degree of curvature of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in the downstream part of the cathode layer on the downstream side in the flow direction of the oxidant gas. The reactivity of the cathode layer in the flow direction of the oxidizing gas can be made uniform.

また、本発明の請求項4及び6に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、アノード層の電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてアノード三相界面(このアノード三相界面において発電反応が行われる)を構成し、アノード層の下流側部位のアノード三相界面の密度は、アノード層の上流側部位のアノード三相界面の密度よりも大きいので、この下流側部位における発電性能が高められ、その結果、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell according to claims 4 and 6 of the present invention, the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase of the anode layer are formed at a portion where these three phases contact each other. The density of the anode three-phase interface in the downstream part of the anode layer is higher than the density of the anode three-phase interface in the upstream part of the anode layer. Since the power generation performance is also large, the power generation performance in this downstream region is improved, and as a result, the power generation distribution of the anode layer in the flow direction of the fuel gas can be made uniform.

また、本発明の請求項5及び9に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、アノード層の下流側部位においてはイオン伝導相と電子伝導相とは反応性が高い割合となり、このアノード層の上流側部位においてはイオン伝導相と電子伝導相とは反応性が低い割合となっているので、アノード層の下流側部位における反応性が高められ、その結果、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell according to claims 5 and 9 of the present invention, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity ratio in the downstream region of the anode layer, and the anode layer has a high reactivity ratio. Since the ion-conducting phase and the electron-conducting phase have a low reactivity ratio in the upstream region of the layer, the reactivity in the downstream region of the anode layer is increased, and as a result, the anode in the direction of fuel gas flow is increased. It is possible to make the power generation distribution of the layer uniform.

また、本発明の請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、カソード層の電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてカソード三相界面を構成し、カソード層の下流側部位のカソード三相界面の密度は、その上流側部位のカソード三相界面の密度よりも大きいので、カソード層の下流側部位における反応性を高めることができ、その結果、酸化剤ガスの流れ方向におけるアノード層の反応分布の均一化を図ることができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell according to claim 7 of the present invention, the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase of the cathode layer form a cathode layer at a portion where these three phases contact each other. The density of the cathode three-phase interface in the downstream part of the cathode layer, which constitutes a phase interface, is greater than the density of the cathode three-phase interface in the upstream part, so it is possible to increase the reactivity in the downstream part of the cathode layer. As a result, the reaction distribution of the anode layer in the flow direction of the oxidant gas can be made uniform.

また、本発明の請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、カソード層の電子・イオン伝導相及び空隙相は、これらの二つの相が接触する部位にてカソード二相界面を構成し、カソード層の下流側部位のカソード二相界面の密度は、その上流側部位のカソード二相界面の密度よりも大きいので、カソード層の下流側部位における反応性を高め、酸化剤ガスの流れ方向におけるアノード層の反応分布の均一化を図ることができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell according to claim 8 of the present invention, the electron/ion conductive phase and the void phase of the cathode layer form a cathode two-phase interface at a portion where these two phases contact each other. Since the density of the cathode two-phase interface in the downstream part of the cathode layer is greater than the density of the cathode two-phase interface in the upstream part, the reactivity in the downstream part of the cathode layer is increased, and the oxidant gas The reaction distribution of the anode layer in the flow direction can be made uniform.

更に、本発明の請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池セルによれば、カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、カソード層の下流側部位においてはイオン伝導相と電子伝導相とは反応性が高い割合となり、カソード層の上流側部位においてはイオン伝導相と電子伝導相とは反応性が低い割合となっているので、カソード層の下流側部位における反応性を高め、酸化剤ガスの流れ方向におけるアノード層の反応分布の均一化を図ることができる。 Furthermore, according to the solid oxide fuel cell according to claim 10 of the present invention, the cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and an oxidant gas that diffuses. In the downstream part of the cathode layer, the ion-conducting phase and the electron-conducting phase have a high reactivity, and in the upstream part of the cathode layer, the ion-conducting phase and the electron-conducting phase have a high reactivity. Since the proportion is low, the reactivity in the downstream portion of the cathode layer can be increased, and the reaction distribution in the anode layer in the flow direction of the oxidizing gas can be made uniform.

本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの第1の実施形態を用いたセルスタックの一例を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing an example of a cell stack using a first embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図1のセルスタックを簡略的に示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the cell stack of FIG. 1. FIG. 図2の固体酸化物形燃料電池セルを拡大して示す断面図。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 2; アノード層の一部を拡大して模式的に示す拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a part of the anode layer. アノード層の電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の屈曲度を説明するための説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the degree of curvature of an electron conductive phase, an ion conductive phase, and a void phase of an anode layer. 本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの第2の実施形態におけるアノード層の一部を拡大して模式的に示す拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a part of the anode layer in a second embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention. アノード層におけるアノード三相界面長さ比と燃料電池セルの発電性能との関係を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the anode three-phase interface length ratio in the anode layer and the power generation performance of the fuel cell. アノード層におけるイオン伝導相の体積分率とアノード層の過電圧との関係を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the volume fraction of the ion conductive phase in the anode layer and the overvoltage of the anode layer. 実施例の固体酸化物型燃料電池セルにおける流入側から流出側までの温度及び発電電流の変化状態を示す図。FIG. 3 is a diagram showing changes in temperature and generated current from the inflow side to the outflow side in a solid oxide fuel cell according to an example. 比較例の固体酸化物型燃料電池セルにおける流入側から流出側までの温度及び発電電流の変化状態を示す図。FIG. 3 is a diagram showing changes in temperature and generated current from the inflow side to the outflow side in a solid oxide fuel cell of a comparative example.

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの各種実施形態について説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, various embodiments of the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

まず、図1~図5を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの第1の実施形態について説明する。図1及び図2は、第1の実施形態の固体酸化物形燃料電池セルを用いたセルスタックを示している。図1及び図2において、図示のセルスタック2は、外形が矩形状のスタック本体4を備え、このスタック本体4に複数の固体酸化物形燃料電池セル6が積層状態に組み付けられている。スタック本体4には第1流入側マニホールド8及び第1流出側マニホールド10が設けられ、燃料供給流路からの燃料ガス(例えば、水素)が第1流入側マニホールド8で分配された後に複数の燃料電池セル6のアノード室12に送給され、アノード室12からの燃料オフガスが第1流出側マニホールド10を通して流出される。
スタック本体4には、更に、第2流入側マニホールド14及び第2流出側マニホールド16が設けられ、酸化剤ガス供給流路からの酸化剤ガス(例えば、空気)が第2流入側マニホールド14で分配された後に複数の燃料電池セル6のカソード室18に送給され、カソード室18からの酸化剤オフガスが第2流出側マニホールド16を通して流出される。
First, a first embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. 1 and 2 show a cell stack using the solid oxide fuel cell of the first embodiment. In FIGS. 1 and 2, the illustrated cell stack 2 includes a stack main body 4 having a rectangular outer shape, and a plurality of solid oxide fuel cells 6 are assembled into the stack main body 4 in a stacked state. The stack body 4 is provided with a first inlet manifold 8 and a first outlet manifold 10, and after the fuel gas (for example, hydrogen) from the fuel supply flow path is distributed by the first inlet manifold 8, it is distributed to a plurality of fuels. The fuel off-gas is supplied to the anode chamber 12 of the battery cell 6 , and the fuel off-gas from the anode chamber 12 is discharged through the first outflow side manifold 10 .
The stack body 4 is further provided with a second inlet manifold 14 and a second outlet manifold 16, and the oxidizing gas (for example, air) from the oxidizing gas supply channel is distributed by the second inlet manifold 14. The oxidizing agent off-gas is then fed to the cathode chambers 18 of the plurality of fuel cells 6, and the oxidant off-gas from the cathode chambers 18 is discharged through the second outlet manifold 16.

次に、図示の固体酸化物形燃料電池セル6について説明すると、複数の固体酸化物形燃料電池セル6は実質上同一の構成であり、以下、その一つについて説明する。主として図3を参照して、図示の固体酸化物形燃料電池セル6は、電解質層20と、この電解質層20の片面側(図2及び図3において下面側)に配設されたアノード層22(燃料極)と、この電解質層20の他面側(図2及び図3において上面側)に配設されたカソード層24(空気極)とを備えている。この形態では、アノード層22を支持ベースとしてその表面側に電解質層20が設けられ、この電解質層20の表面側にカソード層24が設けられている。 Next, the illustrated solid oxide fuel cell 6 will be explained. The plurality of solid oxide fuel cells 6 have substantially the same configuration, and one of them will be explained below. Mainly referring to FIG. 3, the illustrated solid oxide fuel cell 6 includes an electrolyte layer 20 and an anode layer 22 disposed on one side of the electrolyte layer 20 (lower side in FIGS. 2 and 3). (fuel electrode), and a cathode layer 24 (air electrode) disposed on the other surface side (upper surface side in FIGS. 2 and 3) of this electrolyte layer 20. In this embodiment, an electrolyte layer 20 is provided on the surface side of the anode layer 22 as a support base, and a cathode layer 24 is provided on the surface side of this electrolyte layer 20.

複数の燃料電池セル6のうち隣接する燃料電池セル6間にインターコネクタ26が配設され(図2も参照)、これらインターコネクタ26は、隣接する燃料電池セル6のアノード層22及びカソード層24に電気的に接続されている。各アノード室12は、燃料電池セル6のアノード層22とインターコネクタ26との間に形成され、カソード室18は、燃料電池セル6のカソード層24とインターコネクタ26との間に形成されている。 Interconnectors 26 are disposed between adjacent fuel cells 6 among the plurality of fuel cells 6 (see also FIG. 2), and these interconnectors 26 connect the anode layer 22 and cathode layer 24 of the adjacent fuel cells 6. electrically connected to. Each anode chamber 12 is formed between the anode layer 22 of the fuel cell 6 and the interconnector 26, and the cathode chamber 18 is formed between the cathode layer 24 of the fuel cell 6 and the interconnector 26. .

電解質層20は、例えばイットリア安定化ジルコニア(「YSZ」とも称する。)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)などから形成される。この電解質層20はイオン導電性を有し、カソード層24(空気極)側で生成された酸化物イオンをアノード層22側に通す作用を有する。アノード層22(燃料極)は、例えばニッケル-イットリア安定化ジルコニア(「Ni-YSZ」とも称する。)などから形成され、このアノード層22では上記(2)式の反応が行われる。また、カソード層24(空気極)は、例えばランタンストロンチウムマンガナイト-イットリア安定化ジルコニア(La0.6Sr0.4MnO)(「LSM-YSZ」とも称する。)、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト[(La,Sr)(Co,Fe)O](LSCF)、ランタンストロンチウムコバルタイト(La0.6Sr0.4CoO)(LSC)などから形成され、このカソード層24では上記(1)式の反応が行われる。尚、後に詳述するように、LSM-YSZはカソード三相界面を有する材料であり、LSCF及びLSCはカソード二相界面を有する材料である。 The electrolyte layer 20 is formed of, for example, yttria-stabilized zirconia (also referred to as "YSZ"), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), or the like. This electrolyte layer 20 has ionic conductivity and has the function of passing oxide ions generated on the cathode layer 24 (air electrode) side to the anode layer 22 side. The anode layer 22 (fuel electrode) is formed of, for example, nickel-yttria stabilized zirconia (also referred to as "Ni-YSZ"), and the reaction of formula (2) above takes place in this anode layer 22. The cathode layer 24 (air electrode) is made of, for example, lanthanum strontium manganite-yttria stabilized zirconia (La 0.6 Sr 0.4 MnO) (also referred to as "LSM-YSZ"), lanthanum strontium cobaltite ferrite [( La, Sr) (Co, Fe) O 3 ] (LSCF), lanthanum strontium cobaltite (La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ) (LSC), etc., and the cathode layer 24 has the above formula (1). reaction takes place. As will be described in detail later, LSM-YSZ is a material having a cathode three-phase interface, and LSCF and LSC are materials having a cathode two-phase interface.

この固体酸化物形燃料電池セル6では、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層22の発電分布が均一化するように、更に、次のように構成されている。主として図4及び図5を参照して、アノード層22(燃料極)が例えばNiーYSZから形成されている場合、Ni相32が電子を伝導する電子伝導相として機能し、YSZ相34がイオンを伝導するイオン伝導相として機能し、空隙相36が燃料ガス(例えば、水素)を拡散するガス拡散相として機能する。 This solid oxide fuel cell 6 is further configured as follows so that the power generation distribution of the anode layer 22 in the flow direction of the fuel gas is made uniform. Mainly referring to FIGS. 4 and 5, when the anode layer 22 (fuel electrode) is formed of, for example, Ni-YSZ, the Ni phase 32 functions as an electron-conducting phase that conducts electrons, and the YSZ phase 34 functions as an ion-conducting phase. The void phase 36 functions as a gas diffusion phase that diffuses fuel gas (for example, hydrogen).

この実施形態においては、空隙相36の屈曲度に着目し、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層22の発電分布の均一化を図っている。このような燃料電池セル6では、流入側の燃料ガス(例えば、水素)の濃度は高く、その発電分布は、濃度の高い流入側では大きく、濃度の低い流出側では小さくなる傾向にある。このようなことから、燃料ガスの流れ方向に見て上流側に位置するアノード層22の上流側部位22aにおける空隙相36の屈曲度が、燃料ガスの流れ方向に見て下流側に位置するアノード層22の下流側部位22bにおける空隙相36の屈曲度よりも大きくなるように構成されている。 In this embodiment, attention is paid to the degree of curvature of the void phase 36, and the power generation distribution of the anode layer 22 in the flow direction of the fuel gas is made uniform. In such a fuel cell 6, the concentration of fuel gas (for example, hydrogen) on the inflow side is high, and the power generation distribution tends to be large on the inflow side where the concentration is high and small on the outflow side where the concentration is low. For this reason, the degree of curvature of the void phase 36 in the upstream portion 22a of the anode layer 22 located on the upstream side as seen in the flow direction of fuel gas is different from that in the anode located on the downstream side as seen in the flow direction of fuel gas. The degree of curvature of the void phase 36 in the downstream region 22b of the layer 22 is greater than that of the void phase 36 in the downstream region 22b of the layer 22.

ここで屈曲度(τ)について説明すると、この屈曲度(τ)とは物質の伝導や拡散が抑制される程度を示す指標であり、この屈曲度(τ)と相の構造との関係は、例えば図5に示すようになる。図5(a)に示すように直線状に延びる構造では、屈曲度(τ)は「1」(τ=1)となり、図5(b)に示すように45度に傾斜して延びる構造では、屈曲度(τ)は「1.4」(τ=1.4)となり、図5(c)に示すように粒子が直線状に繋がる構造では、屈曲度(τ)は「1」より大きいがその値は比較的小さな値(τ=小)となり、図5(d)に示すように粒子が折れて繋がる構造では、屈曲度(τ)は比較的大きな値(τ=大)となり、図5(e)で示すように連続的に繋がっていない構造(換言すると、切断された構造)では、屈曲度(τ)は無限大(τ=∞)となる。 To explain the degree of tortuosity (τ) here, this degree of tortuosity (τ) is an index that indicates the degree to which conduction and diffusion of a substance is suppressed, and the relationship between this degree of tortuosity (τ) and the phase structure is as follows. For example, as shown in FIG. In a structure that extends linearly as shown in Figure 5(a), the degree of curvature (τ) is "1" (τ = 1), and in a structure that extends at an angle of 45 degrees as shown in Figure 5(b), the degree of curvature (τ) is "1" (τ = 1). , the degree of tortuosity (τ) is “1.4” (τ = 1.4), and in the structure where the particles are connected in a straight line as shown in Figure 5(c), the degree of tortuosity (τ) is greater than “1”. is a relatively small value (τ = small), and in the structure where the particles are bent and connected as shown in Figure 5(d), the degree of tortuosity (τ) is a relatively large value (τ = large). As shown in 5(e), in a structure that is not continuously connected (in other words, a disconnected structure), the degree of curvature (τ) is infinite (τ=∞).

この空隙相36の屈曲度(τ)とその構造を考慮した燃料ガスの有効拡散係数(De)との関係は、
有効拡散係数De=(ε/τ)×D ・・・(3)
ε:空隙相の体積分率 τ:空隙相の屈曲度
:燃料ガスの理論上の拡散係数
で表され、この(3)式から理解されるように、空隙相36の屈曲度(τ)が小さいほど燃料ガスの有効拡散係数(De)は大きくなる。
The relationship between the degree of curvature (τ 1 ) of the void phase 36 and the effective diffusion coefficient (De 1 ) of the fuel gas considering its structure is as follows:
Effective diffusion coefficient De 1 = (ε 11 )×D 1 (3)
ε 1 : Volume fraction of the void phase τ 1 : Degree of curvature of the void phase D 1 : Expressed by the theoretical diffusion coefficient of the fuel gas, and as understood from this equation (3), the degree of curvature of the void phase 36 The smaller (τ 1 ) is, the larger the effective diffusion coefficient (De 1 ) of the fuel gas becomes.

この実施形態では、アノード層22の上流側部位22aにおける空隙相36の屈曲度(τ1a)が、その下流側部位22bにおける空隙相36の屈曲度(τ1b)よりも大きくなるように構成され(τ1a>τ1b)、その上流側部位22aの屈曲度(τ1a)は、例えば5~20程度に、またその下流側部位22bの屈曲度(τ1b)は、例えば1~15程度にとなるように構成される。 In this embodiment, the degree of tortuosity (τ 1a ) of the void phase 36 in the upstream region 22a of the anode layer 22 is configured to be greater than the degree of tortuosity (τ 1b ) of the void phase 36 in the downstream region 22b thereof. (τ 1a1b ), the degree of curvature (τ 1a ) of the upstream portion 22a is, for example, about 5 to 20, and the degree of curvature (τ 1b ) of the downstream portion 22b is, for example, about 1 to 15. It is configured so that

このように構成されるので、アノード層22の下流側部位22bの有効拡散係数がその上流側部位22aの有効拡散係数よりも大きくなり、この下流側部位22bのガス拡散性が高くなって燃料ガスが反応場(アノード層22と電解質層20との界面付近)に流れ易くなる。従って、アノード層22(燃料極)の下流側部位22bの発電反応性(即ち、発電性能)が高くなり、その結果、燃料ガスの流れ方向におけるアノード相22の発電分布の均一化を図ることができ、アノード層22の局所的な温度上昇を抑えることができる。 With this structure, the effective diffusion coefficient of the downstream part 22b of the anode layer 22 is larger than the effective diffusion coefficient of the upstream part 22a, and the gas diffusivity of this downstream part 22b is high, so that the fuel gas easily flows into the reaction field (near the interface between the anode layer 22 and the electrolyte layer 20). Therefore, the power generation reactivity (that is, power generation performance) of the downstream portion 22b of the anode layer 22 (fuel electrode) increases, and as a result, it is possible to equalize the power generation distribution of the anode phase 22 in the flow direction of the fuel gas. This makes it possible to suppress a local temperature rise in the anode layer 22.

上述の実施形態では、アノード層22の空隙相36の屈曲度(τ)を変えているが、この空気相36に代えて、アノード層22の電子伝導相(Ni相32)の屈曲度(τ)又はイオン伝導相(YSZ相34)の屈曲度(τ)を変えるようにしてもよい。 In the embodiment described above, the degree of curvature (τ 1 ) of the void phase 36 of the anode layer 22 is changed, but instead of this air phase 36, the degree of curvature ( τ 2 ) or the degree of curvature (τ 3 ) of the ion conductive phase (YSZ phase 34) may be changed.

アノード層22の電子伝導相(Ni相32)の屈曲度(τ)を変える場合について説明すると、この場合、この電子伝導相の屈曲度(τ)とその構造を考慮した有効電子導電率(σe)との関係は、
有効電子導電率σe=(ε/τ)×σ ・・・(4)
ε:電子伝導相の体積分率 τ:電子伝導相の屈曲度
σ:電子伝導相の電子導電率
で表され、この式(4)から理解されるように、この電子伝導相の屈曲度(τ)が小さいほど有効電子導電率(σe)は大きくなる。
To explain the case where the degree of curvature (τ 2 ) of the electron conductive phase (Ni phase 32) of the anode layer 22 is changed, in this case, the degree of curvature (τ 2 ) of this electron conduction phase and the effective electronic conductivity in consideration of its structure. The relationship with (σe 2 ) is
Effective electronic conductivity σe 2 = (ε 22 )×σ 2 (4)
ε 2 : Volume fraction of the electron conduction phase τ 2 : Curvature degree of the electron conduction phase σ 2 : Expressed by the electronic conductivity of the electron conduction phase, and as understood from this equation (4), the The smaller the tortuosity (τ 2 ), the larger the effective electronic conductivity (σe 2 ).

この場合、上述したと同様に、アノード層22の上流側部位22aにおける電子伝導相32の屈曲度(τ2a)が、その下流側部位22bにおける電子伝導相36の屈曲度(τ2b)よりも大きくなるように構成される(τ2a>τ2b)。このように構成することにより、アノード層22の下流側部位22bの有効電子導電率がその上流側部位22aの有効電子導電率よりも大きくなり、この下流側部位22bにおいて電子が流れ易くなる。従って、このように構成しても、アノード層22(燃料極)の下流側部位22bの発電反応性(発電性能)が高くなり、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層22の発電分布の均一化を図ることができる。 In this case, as described above, the degree of curvature (τ 2a ) of the electron conductive phase 32 at the upstream portion 22a of the anode layer 22 is greater than the degree of curvature (τ 2b ) of the electron conductive phase 36 at the downstream portion 22b. (τ 2a2b ). With this configuration, the effective electronic conductivity of the downstream portion 22b of the anode layer 22 is greater than the effective electronic conductivity of the upstream portion 22a, and electrons flow more easily in the downstream portion 22b. Therefore, even with this configuration, the power generation reactivity (power generation performance) of the downstream portion 22b of the anode layer 22 (fuel electrode) is increased, and the power generation distribution of the anode layer 22 in the flow direction of the fuel gas is made uniform. can be achieved.

また、アノード層22のイオン伝導相(YSZ相34)の屈曲度(τ)を変える場合について説明すると、この場合、このイオン伝導相の屈曲度(τ)とその構造を考慮した有効イオン導電率(σe)との関係は、
有効イオン導電率σe=(ε/τ)×σ ・・・(5)
ε:イオン伝導相の体積分率 τ:イオン伝導相の屈曲度
σ:イオン伝導相のイオン導電率
で表され、この式(5)から理解されるように、このイオン伝導相の屈曲度(τ)が小さいほど有効電子導電率(σe)は大きくなる。
Also, to explain the case where the degree of curvature (τ 3 ) of the ion-conducting phase (YSZ phase 34) of the anode layer 22 is changed, in this case, the degree of curvature (τ 3 ) of the ion-conducting phase and the effective ion The relationship with electrical conductivity (σe 3 ) is
Effective ionic conductivity σe 3 = (ε 33 )×σ 3 (5)
ε 3 : Volume fraction of the ion-conducting phase τ 3 : Curvature of the ion-conducting phase σ 3 : Expressed by the ionic conductivity of the ion-conducting phase, and as understood from this equation (5), the The smaller the tortuosity (τ 2 ), the larger the effective electronic conductivity (σe 3 ).

この場合、上述したと同様に、アノード層22の上流側部位22aにおけるイオン伝導相34の屈曲度(τ3a)が、その下流側部位22bにおけるイオン伝導相32の屈曲度(τ3b)よりも大きくなるように構成される(τ3a>τ3b)。このように構成することにより、アノード層22の下流側部位22bの有効イオン導電率がその上流側部位22aの有効イオン導電率よりも大きくなり、この下流側部位22bにおいてイオンが流れ易くなる。従って、このように構成しても、アノード層22(燃料極)の下流側部位22bの発電反応性(発電性能)が高くなり、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層22の発電分布の均一化を図ることができる。 In this case, as described above, the degree of curvature (τ 3a ) of the ion conductive phase 34 at the upstream portion 22a of the anode layer 22 is greater than the degree of curvature (τ 3b ) of the ion conductive phase 32 at the downstream portion 22b. (τ 3a3b ). With this configuration, the effective ionic conductivity of the downstream region 22b of the anode layer 22 is greater than the effective ionic conductivity of its upstream region 22a, and ions easily flow in this downstream region 22b. Therefore, even with this configuration, the power generation reactivity (power generation performance) of the downstream portion 22b of the anode layer 22 (fuel electrode) is increased, and the power generation distribution of the anode layer 22 in the flow direction of the fuel gas is made uniform. can be achieved.

上述した実施形態では、アノード層22における電子伝導相32(Ni相)、イオン伝導相34(YSZ相)及び空隙相36のいずれか一つの相の屈曲度をその上流側部位22aとその下流側部位22bとで変えているが、電子伝導相32、イオン伝導相34及び空隙相36の任意の二つの相の屈曲度を変えるようにしてもよく、或いは電子伝導相32、イオン伝導相34及び空隙相36の三つの相の全ての屈曲度を変えるようにしてもよい。 In the embodiment described above, the degree of curvature of any one of the electron conductive phase 32 (Ni phase), the ion conductive phase 34 (YSZ phase), and the void phase 36 in the anode layer 22 is determined based on the upstream region 22a and the downstream region thereof. Although the bending degree of any two phases of the electron conductive phase 32, the ion conductive phase 34, and the void phase 36 may be changed, The tortuosity of all three phases of the void phase 36 may be varied.

上述した実施形態では、アノード層22における電子伝導相32(Ni相)、イオン伝導相34(YSZ相)及び空隙相36の屈曲度をその上流側部位22aとその下流側部位22bとで変えているが、アノード層22に加えてカソード層24の屈曲度を変えるようにしてもよい。 In the embodiment described above, the degree of curvature of the electron conductive phase 32 (Ni phase), the ion conductive phase 34 (YSZ phase), and the void phase 36 in the anode layer 22 is changed between the upstream region 22a and the downstream region 22b. However, in addition to the anode layer 22, the degree of curvature of the cathode layer 24 may be changed.

例えば、カソード層24をLSM-YSZから形成した場合、このLSM-YSZはカソード三相界面を有し、LSM相が電子伝導相として機能し、YSZ相がイオン伝導相として機能し、これら電子伝導相及びイオン伝導相に加えて空隙相を含んでいる。酸化剤ガス(例えば、空気)の流れ方向におけるカソード層24の反応の均一化を図るために、アノード層22と同様に、酸化剤ガスの流れ方向に見て上流側に位置するカソード層24の上流側部位24aにおける空隙相(又は電子伝導相、イオン伝導相)の屈曲度が、酸化剤ガスの流れ方向に見て下流側に位置するカソード層24の下流側部位24bにおける空隙相(又は電子伝導相、イオン伝導相)の屈曲度よりも大きくなうように構成される。 For example, when the cathode layer 24 is formed from LSM-YSZ, this LSM-YSZ has a cathode three-phase interface, the LSM phase functions as an electron-conducting phase, the YSZ phase functions as an ion-conducting phase, and these electron-conducting phase and an ion-conducting phase as well as a void phase. In order to equalize the reaction of the cathode layer 24 in the flow direction of the oxidant gas (for example, air), similarly to the anode layer 22, the cathode layer 24 located on the upstream side in the flow direction of the oxidant gas is The degree of curvature of the void phase (or electron conductive phase, ion conductive phase) in the upstream region 24a is the same as that of the void phase (or electron conductive phase, ion conductive phase) in the downstream region 24b of the cathode layer 24 located downstream in the flow direction of the oxidant gas. conduction phase, ionic conduction phase).

このように構成することより、カソード層24の下流側部位24bの有効拡散係数(又は有効電子導電率、有効イオン導電率)がその上流側部位24bの有効拡散係数(又は有効電子導電率、有効イオン導電率)よりも大きくなり、この下流側部位24bのガス拡散性(又は電子導電性、イオン導電性)がその上流側部位24aに比して高くなる。従って、カソード層24(空気極)の下流側部位24bの反応性が高くなり、その結果、酸化剤ガスの流れ方向におけるカソード相24の反応分布の均一化を図ることができる。 With this configuration, the effective diffusion coefficient (or effective electronic conductivity, effective ionic conductivity) of the downstream portion 24b of the cathode layer 24 is the same as the effective diffusion coefficient (or effective electronic conductivity, effective ionic conductivity) of the upstream portion 24b. The gas diffusivity (or electronic conductivity, ionic conductivity) of this downstream region 24b is higher than that of its upstream region 24a. Therefore, the reactivity of the downstream portion 24b of the cathode layer 24 (air electrode) becomes high, and as a result, the reaction distribution of the cathode phase 24 in the flow direction of the oxidant gas can be made uniform.

上述の実施形態では、カソード層24の上流側部位24aの空隙相、電子伝導相及びイオン伝導相のいずれか一つの相の屈曲度をその下流側部位24bの空隙相、電子伝導相及びイオン伝導相の屈曲度よりも大きくしているが、この上流側部位24aの空隙相、電子伝導相及びイオン伝導相の任意の二つの相の屈曲度を大きくするようにしてもよく、或いはこれら空隙相、電子伝導相及びイオン伝導相の三つの全ての相の屈曲度を大きくするようにしてもよい。 In the embodiment described above, the degree of curvature of any one of the void phase, electron conduction phase, and ion conduction phase in the upstream region 24a of the cathode layer 24 is determined by the degree of curvature of any one of the void phase, electron conduction phase, and ion conduction phase in the downstream region 24b. Although the degree of tortuosity is greater than the degree of tortuosity of the phase, the degree of tortuosity of any two phases of the void phase, the electron conduction phase, and the ion conduction phase in this upstream region 24a may be made larger, or , the electronic conduction phase, and the ion conduction phase, the tortuosity of all three phases may be increased.

また、例えば、カソード層24をLSCF(LSC)から形成した場合、このLSCF(LSC)はアノード二相界面を有し、LSCF相(LSC相)が電子を伝導するとともにイオンも伝導する電子・イオン伝導相(電子伝導相及びイオン伝導相の双方の機能を有する)として機能し、この電子・イオン伝導相に加えて空隙相を含んでいる。この場合、カソード層24の反応の均一化を図るために、カソード層24の上流側部位24aにおける空隙相(又は電子・イオン伝導相)の屈曲度が、カソード層24の下流側部位24bにおける空隙相(又は電子・イオン伝導相)の屈曲度よりも大きくなうように構成され、このように構成することより、三相界面を有するものと同様に、カソード層24の下流側部位24bの有効拡散係数(又は有効電子導電率・有効イオン導電率)がその上流側部位24bの有効拡散係数(又は有効電子導電率・有効イオン導電率)よりも大きくなり、この下流側部位24bのガス拡散性(又は電子導電性・イオン導電性)が高くなる。従って、カソード層24(空気極)の下流側部位24bの反応性が高くなり、その結果、酸化剤ガスの流れ方向におけるカソード層24の反応分布の均一化を図ることができる。 Further, for example, when the cathode layer 24 is formed from LSCF (LSC), this LSCF (LSC) has an anode two-phase interface, and the LSCF phase (LSC phase) conducts electrons and ions. It functions as a conductive phase (having the functions of both an electron conductive phase and an ion conductive phase), and contains a void phase in addition to this electron/ion conductive phase. In this case, in order to uniformize the reaction of the cathode layer 24, the degree of curvature of the void phase (or electron/ion conductive phase) in the upstream region 24a of the cathode layer 24 is such that the voids in the downstream region 24b of the cathode layer 24 The degree of curvature of the cathode layer 24 is larger than that of the phase (or the electron/ion conduction phase), and by configuring it in this way, similar to the structure having a three-phase interface, the effective The diffusion coefficient (or effective electronic conductivity/effective ionic conductivity) becomes larger than the effective diffusion coefficient (or effective electronic conductivity/effective ionic conductivity) of the upstream portion 24b, and the gas diffusivity of this downstream portion 24b increases. (or electronic conductivity/ion conductivity) increases. Therefore, the reactivity of the downstream portion 24b of the cathode layer 24 (air electrode) becomes high, and as a result, the reaction distribution of the cathode layer 24 in the flow direction of the oxidant gas can be made uniform.

上述の実施形態では、カソード層24の上流側部位24aの空隙相及び電子・イオン伝導相のいずれか一方の相の屈曲度をその下流側部位24bの空隙相及び電子・イオン伝導相の屈曲度よりも大きくしているが、この上流側部位24aの空隙相及び電子・イオン伝導相の双方の屈曲度を大きくするようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the degree of curvature of either the void phase or the electron/ion conduction phase in the upstream portion 24a of the cathode layer 24 is the degree of curvature of the void phase or the electron/ion conduction phase in the downstream portion 24b. However, the degree of curvature of both the void phase and the electron/ion conductive phase in this upstream region 24a may be increased.

次いで、本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの第2の実施形態について説明する。上述の第1の実施形態では、アノード層の空隙相、電子伝導相及びイオン伝導相の屈曲度に着目しているが、この第2の実施形態では、アノード相のアノード三相界面の密度に着目して発電分布の均一化を図っている。尚、以下の実施形態において、上述した第1の実施形態と実質上同一の部材には同一の番号を付し、その説明を省略する。 Next, a second embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described. In the first embodiment described above, attention is paid to the degree of curvature of the void phase, electron conduction phase, and ion conduction phase of the anode layer, but in this second embodiment, the density of the anode three-phase interface of the anode layer is We are aiming to equalize the power generation distribution. In the following embodiments, members that are substantially the same as those in the above-described first embodiment are given the same numbers, and their explanations will be omitted.

この第2の実施形態において、固体酸化物形燃料電池セルの基本的構成は上述の第1の実施形態と同様であり、そのアノード層及びカソード層の構造が第1の実施形態と異なっている。この第2の実施形態において、固体酸化物形燃料電池セル2Aのアノード層22Aは、第1の実施形態と同様に、例えばNiーYSZから形成され、Ni相32が電子伝導相として機能し、YSZ相34がイオン伝導相として機能し、空隙相36が燃料ガス(例えば、水素)を拡散するガス拡散相として機能し、電子伝導層32(Ni相)、イオン伝導相34(YSZ相)及び空隙相36の三つの相が接触する箇所がアノード三相界面38となり、このアノード三相界面38において発電反応が行われる。 In this second embodiment, the basic configuration of the solid oxide fuel cell is the same as that of the first embodiment described above, but the structure of the anode layer and cathode layer is different from the first embodiment. . In this second embodiment, the anode layer 22A of the solid oxide fuel cell 2A is formed of, for example, Ni-YSZ, as in the first embodiment, and the Ni phase 32 functions as an electron conductive phase. The YSZ phase 34 functions as an ion conductive phase, the void phase 36 functions as a gas diffusion phase that diffuses fuel gas (for example, hydrogen), and the electron conductive layer 32 (Ni phase), the ion conductive phase 34 (YSZ phase), and The location where the three phases of the void phase 36 come into contact becomes an anode three-phase interface 38, and a power generation reaction takes place at this anode three-phase interface 38.

このアノード三相界面38の長さの比と最大出力密度(W/cm)とは、例えば図7に示す関係があり(参考文献としての特開2015-176774号公報から引用する。)、アノード層22Aのアノード三相界面38の長さの比が大きくなればその最大出力密度も大きくなる、換言するとこのアノード三相界面38の密度が大きくなるとアノード層22Aの発電電流も大きくなる。尚、図7における40μm、20μm、10μm、5μmは、イオン伝導相34(YSZ層)のサイズであり、イオン伝導相34のサイズを更に微細化することにより最大出力密度を更に改善することができる。 The length ratio of this anode three-phase interface 38 and the maximum output density (W/cm 2 ) have a relationship as shown in FIG. 7, for example (cited from JP 2015-176774 as a reference), As the length ratio of the anode three-phase interface 38 of the anode layer 22A increases, its maximum output density also increases.In other words, as the density of the anode three-phase interface 38 increases, the generated current of the anode layer 22A also increases. Note that 40 μm, 20 μm, 10 μm, and 5 μm in FIG. 7 are the sizes of the ion conductive phase 34 (YSZ layer), and the maximum output density can be further improved by further reducing the size of the ion conductive phase 34. .

このアノード層22Aのアノード三相界面の密度は、例えば、電子伝導相32(Ni)の粒子径、イオン伝導相34(YSZ)の粒子径、造孔材(空隙径)を変えたり、電極(アノード層)を製作するときの焼成時間及び/又は焼成温度を変えることによって、アノード三相界面の密度を調整することができ、一般的に、使用する材料の粒径が小さいほどアノード三相界面の密度が大きくなりやすくなる。 The density of the anode three-phase interface of this anode layer 22A can be determined, for example, by changing the particle size of the electron conductive phase 32 (Ni), the particle size of the ion conductive phase 34 (YSZ), the pore-forming material (void size), or by changing the electrode ( The density of the anode three-phase interface can be adjusted by changing the firing time and/or firing temperature when producing the anode layer (anode layer), and in general, the smaller the particle size of the material used, the more the anode three-phase interface density tends to increase.

このようなことから、第2の実施形態においては、このアノード三相界面38の密度を変化させるようにし、アノード層22Aの下流側部位におけるアノード三相界面38の密度が、その上流側部位におけるアノード三相界面38の密度よりも大きくなるように構成され、その上流側部位におけるアノード三相界面38の密度は、例えば2~4μm/μm程度に、またその下流側部位におけるアノード三相界面38の密度は、例えば3~5μm/μm程度になるように構成される。 For this reason, in the second embodiment, the density of the anode three-phase interface 38 is changed so that the density of the anode three-phase interface 38 in the downstream region of the anode layer 22A is the same as that in the upstream region. The density of the anode three-phase interface 38 in the upstream region is, for example, about 2 to 4 μm/μm3, and the density of the anode three-phase interface 38 in the downstream region is higher than that of the anode three-phase interface 38. The density of 38 is, for example, about 3 to 5 μm/μm 3 .

このように構成することにより、アノード層22Aの下流側部位におけるアノード三相界面38の密度が上流側部位に比して大きくなり、この下流側部位の発電反応性(発電性能)が高くなり、その結果、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層22Aの発電分布の均一化を図ることができる。 With this configuration, the density of the anode three-phase interface 38 in the downstream part of the anode layer 22A is greater than that in the upstream part, and the power generation reactivity (power generation performance) of this downstream part is increased. As a result, it is possible to make the power generation distribution of the anode layer 22A uniform in the flow direction of the fuel gas.

上述した実施形態では、アノード層22Aにおけるアノード三相界面38の密度をその上流側部位とその下流側部位とで変えているが、アノード層22Aに加えてカソード層のカソード三相界面又は二相界面の密度を変えるようにすることもできる。 In the embodiment described above, the density of the anode three-phase interface 38 in the anode layer 22A is different between the upstream region and the downstream region, but in addition to the anode layer 22A, the cathode three-phase interface or two-phase It is also possible to change the density of the interface.

例えば、カソード層をLSM-YSZから形成した場合、このLSM-YSZは、上述したように、電子伝導層としてのLSM相、イオン伝導層としてのYSZ相及びガス拡散相としての空隙相を含み、これら電子伝導相、イオン伝導相及び空隙相の三つの相が接触する箇所がカソード三相界面を構成し、このカソード三相界面においてカソード層側の反応が行われる。このようなカソード層において、酸化剤ガス(例えば、空気)の流れ方向における反応の均一化を図るために、アノード層22Aと同様に、カソード層の下流側部位におけるカソード三相界面の密度が、その上流側部位におけるカソード三相界面の密度よりも大きくなうように構成される。 For example, when the cathode layer is formed from LSM-YSZ, this LSM-YSZ includes an LSM phase as an electron conductive layer, a YSZ phase as an ion conductive layer, and a void phase as a gas diffusion phase, as described above. The location where these three phases, the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase, come into contact constitutes a cathode three-phase interface, and a reaction on the cathode layer side takes place at this cathode three-phase interface. In such a cathode layer, in order to equalize the reaction in the flow direction of the oxidant gas (for example, air), the density of the cathode three-phase interface in the downstream region of the cathode layer is The density is greater than the density of the cathode three-phase interface in the upstream region.

このように構成することより、カソード層の下流側部位における反応性が上流側部位に比して高くなり、酸化剤ガスの流れ方向におけるカソード層の反応分布の均一化を図ることができる。 With this configuration, the reactivity in the downstream portion of the cathode layer is higher than that in the upstream portion, and it is possible to make the reaction distribution of the cathode layer uniform in the flow direction of the oxidant gas.

また、例えば、カソード層をLSCF(LSC)から形成した場合、このLSCF(LSC)は、電子・イオン伝導相としてのLSCF相(LSC相)と、ガス拡散相としての空隙相とを含み、電子・イオン伝導相と空隙相とが接触する箇所がカソード二相界面を構成し、このカソード二相界面においてカソード層側の反応が行われる。この場合、カソード層の下流側部位におけるカソード二相界面の密度が、その上流側部位におけるカソード二相界面の密度よりも大きくなうように構成される。 Further, for example, when the cathode layer is formed from LSCF (LSC), this LSCF (LSC) includes an LSCF phase (LSC phase) as an electron/ion conductive phase and a void phase as a gas diffusion phase, and - The location where the ion conductive phase and the void phase come into contact constitutes a cathode two-phase interface, and a reaction on the cathode layer side takes place at this cathode two-phase interface. In this case, the density of the cathode two-phase interface in the downstream region of the cathode layer is greater than the density of the cathode two-phase interface in the upstream region.

このように構成することより、カソード三相界面を有するものと同様に、カソード層の下流側部位の反応性が高くなり、酸化剤ガスの流れ方向におけるカソード層の反応分布の均一化を図ることができる。 With this configuration, similar to the cathode having a three-phase interface, the reactivity of the downstream part of the cathode layer is increased, and the reaction distribution of the cathode layer in the flow direction of the oxidizing gas is made uniform. Can be done.

次に、本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの第3の実施形態について説明する。第1の実施形態ではアノード層の空隙相、電子伝導相及びイオン伝導相の屈曲度に着目し、また第2の実施形態ではアノード相のアノード三相界面の密度に着目しているが、この第3の実施形態においては、アノード層のイオン伝導相と電子伝導相との反応性に関する割合に着目してアノード層の発電分布の均一化を図っている。 Next, a third embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described. The first embodiment focuses on the degree of curvature of the void phase, electronic conduction phase, and ion conduction phase of the anode layer, and the second embodiment focuses on the density of the anode three-phase interface of the anode layer. In the third embodiment, the distribution of power generation in the anode layer is made uniform by focusing on the reactivity ratio between the ion conductive phase and the electron conductive phase of the anode layer.

この第3の実施形態において、固体酸化物形燃料電池セルの基本的構成は上述の第1及び第2の実施形態と同様であり、そのアノード層のイオン伝導相(YSZ相)と電子伝導相(Ni相)との反応性に関する割合が第1及び第2の実施形態と異なっている。 In this third embodiment, the basic configuration of the solid oxide fuel cell is the same as in the first and second embodiments described above, and the ion conductive phase (YSZ phase) and the electron conductive phase of the anode layer are the same. (Ni phase) is different from the first and second embodiments in terms of the reactivity ratio.

この第3の実施形態において、図示していないが、固体酸化物形燃料電池セルのアノード層は、例えばNiーYSZから形成され、電子伝導相としてのNi相と、イオン伝導相としてのYSZ相と、ガス拡散相としての空隙相を含んでいる。 In this third embodiment, although not shown, the anode layer of the solid oxide fuel cell is formed of, for example, Ni-YSZ, and includes a Ni phase as an electron conductive phase and a YSZ phase as an ion conductive phase. and a void phase as a gas diffusion phase.

このアノード層におけるイオン伝導相(YSZ相)の体積分率(Vaε)は、
体積分率Vaε=VYSZ/(VNi+VYSZ) ・・・(6)
Ni:電子伝導相の体積 VYSZ:イオン伝導相の体積
で表される。
The volume fraction (Vaε) of the ion conductive phase (YSZ phase) in this anode layer is
Volume fraction Vaε=V YSZ /(V Ni +V YSZ ) ...(6)
V Ni : Volume of electronic conduction phase V YSZ : Volume of ionic conduction phase.

このアノード層のイオン伝導相の体積比率とアノード層の過電圧(Arb.unit)との関係は、例えば図8に示す通りとなり(参考文献としての特開2015-176774号公報から引用する。)、イオン伝導相の体積比率(Vaε)が0.2~0.8の範囲においてイオン伝導相の体積比率が大きくなるとアノード層の過電圧(電圧ロス)は小さくなり、アノード層の発電反応性(発電性能)が高くなる。 The relationship between the volume ratio of the ion-conducting phase of the anode layer and the overvoltage (Arb.unit) of the anode layer is, for example, as shown in FIG. 8 (cited from JP 2015-176774 as a reference), When the volume ratio of the ion conductive phase (Vaε) is in the range of 0.2 to 0.8, as the volume ratio of the ion conductive phase increases, the overvoltage (voltage loss) of the anode layer decreases, and the power generation reactivity (power generation performance) of the anode layer decreases. ) becomes higher.

イオン伝導相の体積比率(Vaε)に関してこのような関係があることから、この第3の実施形態においては、このアノード相のイオン伝導相(YSZ相)の体積比率による過電圧(電圧ロス)を変化させる、換言するとイオン伝導相(YSZ相)と電子伝導相(Ni相)との反応性に関する組成割合を変化させるようにし、アノード層の下流側部位においてはイオン伝導相(YSZ相)と電子伝導層(Ni相)とは反応性が高い割合とるようにし、その上流側部位においてはイオン伝導相(YSZ相)と電子伝導相(Ni相)とは反応性が低い割合となるように構成される。例えば、アノード層の上流側部位のイオン伝導相と電子伝導相との割合は、例えば0.2~0.6:0.8~0.4程度となるように構成され、またその下流側部位のイオン伝導相と電子伝導相との割合は、例えば0.4~0.8:0.6~0.2程度となるように構成される。 Since there is such a relationship regarding the volume ratio (Vaε) of the ion conductive phase, in this third embodiment, the overvoltage (voltage loss) depending on the volume ratio of the ion conductive phase (YSZ phase) of the anode phase is changed. In other words, the composition ratio regarding the reactivity between the ion conductive phase (YSZ phase) and the electron conductive phase (Ni phase) is changed, and in the downstream part of the anode layer, the ion conductive phase (YSZ phase) and the electron conductive phase The layer (Ni phase) is configured to have a high reactivity ratio, and the upstream portion thereof is configured such that the ion conductive phase (YSZ phase) and the electron conductive phase (Ni phase) have a low reactivity ratio. Ru. For example, the ratio of the ion conductive phase to the electronic conductive phase in the upstream part of the anode layer is, for example, about 0.2 to 0.6:0.8 to 0.4, and in the downstream part The ratio of the ion conductive phase to the electron conductive phase is, for example, about 0.4 to 0.8:0.6 to 0.2.

このように構成することにより、アノード層の下流側部位の過電圧(電圧ロス)がその上流側部位よりも小さくなって発電反応性(発電性能)が高くなり、燃料ガスの流れ方向におけるアノード層の発電分布の均一化を図ることができる。 With this configuration, the overvoltage (voltage loss) in the downstream part of the anode layer is smaller than that in the upstream part, and the power generation reactivity (power generation performance) is increased. It is possible to equalize the power generation distribution.

この第3の実施形態においても、アノード層のイオン伝導相と電子伝導相との反応性に関する組成割合をその上流側部位とその下流側部位とで変えることに加えて、カソード層のイオン伝導相と電子伝導相との反応性に関する組成割合を変えるようにしてもよい。 In this third embodiment as well, in addition to changing the composition ratio regarding the reactivity between the ion conductive phase and the electron conductive phase of the anode layer between the upstream region and the downstream region, the ion conductive phase of the cathode layer The composition ratio regarding the reactivity between the phase and the electron conductive phase may be changed.

例えば、カソード層をLSM-YSZから形成した場合、このLSM-YSZは、電子伝導層としてのLSM相、イオン伝導層としてのYSZ相及びガス拡散相としての空隙相を含んでいる。この場合、このカソード層においても、アノード層と同様に、イオン伝導相(YSZ相)と電子伝導相(LSM相)との反応性に関する組成割合を変化させるようにし、カソード層の下流側部位においてはイオン伝導相と電子伝導相とは反応性が高い割合となるようにし、その上流側部位においてはイオン伝導相と電子伝導相とは反応性が低い割合となるように構成される。 For example, when the cathode layer is formed from LSM-YSZ, this LSM-YSZ includes an LSM phase as an electron conductive layer, a YSZ phase as an ion conductive layer, and a void phase as a gas diffusion phase. In this case, similarly to the anode layer, in this cathode layer, the composition ratio regarding reactivity between the ion conductive phase (YSZ phase) and the electronic conductive phase (LSM phase) is changed, and in the downstream part of the cathode layer, The ion-conducting phase and the electron-conducting phase are configured to have a high reactivity ratio, and the ion-conducting phase and the electron-conducting phase are configured to have a low reactivity ratio in the upstream region.

このように構成することにより、カソード層の下流側部位の過電圧(電圧ロス)が小さくなって反応性が高くなり、酸化剤ガスの流れ方向におけるカソード層の反応分布の均一化を図ることができる。 With this configuration, the overvoltage (voltage loss) at the downstream side of the cathode layer is reduced, the reactivity is increased, and the reaction distribution of the cathode layer in the flow direction of the oxidant gas can be made uniform. .

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池セルの各種実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 Although various embodiments of the solid oxide fuel cell according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. .

例えば、上述の第1の実施形態ではアノード層の上流側部位と下流側部位とで電子伝導相(イオン伝導相、空隙相)の屈曲度を変える技術を適用して説明し、上述の第2の実施形態ではアノード層の上流側部位と下流側部位とでアノード三相界面の密度を変える技術を適用して説明し、また上述の第3の実施形態ではアノード層の上流側部位と下流側部位とでイオン伝導相と電子伝導相との反応性に関する組成割合を変える技術を適用して説明したが、本発明はこれらの三つの技術を別々に適用する必要はなく、アノード層の屈曲度に関する技術、アノード層のアノード三相界面に関する技術及びアノード層の反応性に関する組成割合に関する技術の任意の二つの技術を組み合わせて適用することもでき、更にはこれら三つの技術の全てを組み合わせて適用することもできる。 For example, in the first embodiment described above, a technique is applied to change the degree of curvature of the electron conductive phase (ion conductive phase, void phase) between the upstream region and the downstream region of the anode layer, and the second embodiment described above In the embodiment described above, a technique is applied to change the density of the anode three-phase interface between the upstream side and the downstream side of the anode layer. Although the description has been made by applying a technique of changing the composition ratio regarding the reactivity of the ion conductive phase and the electron conductive phase depending on the region, the present invention does not require the application of these three techniques separately, and the degree of curvature of the anode layer can be changed. It is also possible to apply any two of the following techniques in combination: a technique related to the anode three-phase interface of the anode layer, and a technique related to the composition ratio related to the reactivity of the anode layer, or even a combination of all three techniques. You can also.

例えば、燃料ガスの流れ方向に見て上流側に位置するアノード層の上流側部位の空隙相の屈曲度をその下流側部位の空隙相の屈曲度よりも大きくした固体酸化物形燃料電池セルを実施例とし、この実施例のものにおける燃料ガスの流入側(入口側)からその流出側(出口側)までの温度及び電流密度の状態を示すと、図9に示すようになる。 For example, a solid oxide fuel cell is constructed in which the degree of curvature of the void phase in the upstream part of the anode layer located on the upstream side as seen in the flow direction of fuel gas is greater than the degree of curvature of the void phase in the downstream part. As an example, the temperature and current density states from the inflow side (inlet side) of the fuel gas to the outflow side (outlet side) of the fuel gas in this example are shown in FIG.

一方、燃料ガスの流れ方向に見てアノード層の空隙相の屈曲度が一定である従来の固体酸化物形燃料電池セルを比較例とし、この比較例のものにおける燃料ガスの流入側(入口側)からその流出側(出口側)までの温度及び電流密度の状態を示すと、図10に示すようになる。 On the other hand, a conventional solid oxide fuel cell in which the degree of curvature of the void phase of the anode layer is constant when viewed in the flow direction of the fuel gas is used as a comparative example. ) to the outflow side (exit side) of the temperature and current density as shown in FIG.

図9と図10とを対比することによって容易に理解される如く、アノード層の下流側部位における空隙相の屈曲度をその上流側部位の空隙相よりも小さくした実施例では、このアノード層の下流側部位の発電反応を高めることができることから、その流入側(入口側)の発電電流を抑えてその流出側(出口側)の発電電流を上げることができ、このようにアノード層の発電電流分布の均一化を図ることによって、流入側における温度上昇の勾配も小さく抑えることができ、熱応力の発生も小さくすることができる。 As can be easily understood by comparing FIG. 9 and FIG. 10, in the embodiment in which the degree of curvature of the void phase in the downstream region of the anode layer is smaller than that of the void phase in the upstream region, the anode layer Since it is possible to increase the power generation reaction in the downstream region, it is possible to suppress the power generation current on the inflow side (inlet side) and increase the power generation current on the outflow side (outlet side).In this way, the power generation current in the anode layer By making the distribution uniform, the gradient of temperature rise on the inflow side can be kept small, and the generation of thermal stress can also be made small.

これに対して、空隙相の屈曲度が燃料ガスの流れ方向に一定である比較例では、燃料ガスの濃度が高い流入側(入口側)において発電反応が集中し、流入側は発電電流が大きく、流出側(出口側)は発電電流が低くなり、これによって、流入側において局所的に温度が上昇し、その温度上昇勾配が大きくなり、このような大きな温度上昇勾配は熱応力による破損につながるおそれがある。 In contrast, in a comparative example in which the degree of curvature of the void phase is constant in the flow direction of the fuel gas, the power generation reaction is concentrated on the inflow side (inlet side) where the concentration of fuel gas is high, and the power generation current is large on the inflow side. , the generated current is lower on the outflow side (outlet side), which causes the temperature to rise locally on the inflow side, and the temperature increase gradient becomes large. Such a large temperature increase gradient leads to damage due to thermal stress. There is a risk.

2 セルスタック
6 固体酸化物形燃料電池セル
20 電解質
22,22A アノード層(燃料極)
24 カソード層(空気極)
32 Ni相(電子伝導相)
34 YSZ相(イオン伝導相)
36 空隙相(ガス拡散相)
38 アノード三相界面

2 Cell stack 6 Solid oxide fuel cell 20 Electrolyte 22, 22A Anode layer (fuel electrode)
24 Cathode layer (air electrode)
32 Ni phase (electronic conduction phase)
34 YSZ phase (ion conductive phase)
36 Vocal phase (gas diffusion phase)
38 Anode three-phase interface

Claims (10)

酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、前記電解質層の片面側に設けられたアノード層と、前記電解質層の他面側に設けられたカソード層とを有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含んでおり、
前記燃料ガスの流れ方向上流側に位置する前記アノード層の上流側部位における前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度は、前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する前記アノード層の下流側部位における前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の屈曲度よりも大きいことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, an anode layer provided on one side of the electrolyte layer, and a cathode layer provided on the other side of the electrolyte layer. A cell,
The anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas,
The degree of curvature of at least one of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in the upstream region of the anode layer located upstream in the flow direction of the fuel gas depends on the direction of flow of the fuel gas. A solid oxide fuel cell characterized in that the degree of curvature is greater than the degree of curvature of the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase in a downstream region of the anode layer located on the downstream side.
前記アノード層の前記上流側部位における前記空隙相の屈曲度は、前記アノード層の前記下流側部位における前記空隙相の屈曲度よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The solid oxide form of claim 1, wherein the degree of tortuosity of the void phase in the upstream region of the anode layer is greater than the degree of tortuosity of the void phase in the downstream region of the anode layer. fuel cell. 前記カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、ガスを拡散させる空隙相とを含み、酸化剤ガスの流れ方向上流側に位置する前記カソード層の上流側部位の前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の少なくともいずれか一つの相の屈曲度は、前記酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位の前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相の屈曲度よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses gas, and is located on the upstream side of the cathode layer in the flow direction of the oxidizing gas. The degree of curvature of at least one of the electron-conducting phase, the ion-conducting phase, and the void phase of the region is determined by the electron-conducting degree of the downstream region of the cathode layer located downstream in the flow direction of the oxidant gas. 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the degree of tortuosity is greater than that of the ion conductive phase and the void phase. 前記アノード層の前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてアノード三相界面を構成し、前記アノード層の前記下流側部位の前記アノード三相界面の密度は、前記アノード層の前記上流側部位の前記アノード三相界面の密度よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase of the anode layer constitute an anode three-phase interface at a portion where these three phases contact each other, and the anode three phase interface in the downstream portion of the anode layer The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the density of the phase interface is greater than the density of the anode three-phase interface in the upstream portion of the anode layer. 前記アノード層の前記下流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が高い割合となっており、前記アノード層の前記上流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が低い割合になっていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 In the downstream part of the anode layer, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity, and in the upstream part of the anode layer, the ion conductive phase and the electron conductive phase have high reactivity. 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell has a low reactivity. 酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、前記電解質層の片面側に設けられたアノード層と、前記電解質層の他面側に設けられたカソード層とを有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてアノード三相界面を構成しており、
前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する前記アノード層の下流側部位の前記アノード三相界面の密度は、前記燃料ガスの流れ方向上流側に位置する前記アノード層の上流側部位の前記アノード三相界面の密度よりも大きいことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, an anode layer provided on one side of the electrolyte layer, and a cathode layer provided on the other side of the electrolyte layer. A cell,
The anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas. The anode three-phase interface is formed at the part where the three phases contact each other.
The density of the anode three-phase interface in the downstream part of the anode layer located downstream in the flow direction of the fuel gas is equal to the density of the anode three-phase interface in the upstream part of the anode layer located upstream in the flow direction of the fuel gas. A solid oxide fuel cell characterized by having a density greater than that of a phase interface.
前記カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記電子伝導相、前記イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの三つの相が接触する部位にてカソード三相界面を構成し、酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位の前記カソード三相界面の密度は、前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に位置する前記カソード層の上流側部位の前記カソード三相界面の密度よりも大きいことを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses an oxidant gas, and the electron conductive phase, the ion conductive phase, and the void phase include: A cathode three-phase interface is formed at a portion where these three phases contact, and the density of the cathode three-phase interface in the downstream portion of the cathode layer located downstream in the flow direction of the oxidant gas is 7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the density is greater than the density of the cathode three-phase interface in an upstream portion of the cathode layer located upstream in the gas flow direction. 前記カソード層は、電子を伝導するとともにイオンを伝導する電子・イオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記電子・イオン伝導相及び前記空隙相は、これらの二つの相が接触する部位にてカソード二相界面を構成し、酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位の前記カソード二相界面の密度は、前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に位置する前記カソード層の上流側部位の前記カソード二相界面の密度よりも大きいことを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The cathode layer includes an electron/ion conductive phase that conducts electrons and ions, and a void phase that diffuses an oxidant gas, and the electron/ion conduction phase and the void phase are composed of these two phases. The density of the cathode two-phase interface in the downstream part of the cathode layer that is located downstream in the flow direction of the oxidant gas is equal to the density of the cathode two-phase interface in the region where the oxidant gas 7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the density is higher than the density of the cathode two-phase interface at the upstream side of the cathode layer located on the side. 酸化物イオンを通すイオン導電性を有する電解質層と、前記電解質層の片面側に設けられたアノード層と、前記電解質層の他面側に設けられたカソード層とを有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記アノード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、燃料ガスを拡散させる空隙相とを含んでおり、
前記燃料ガスの流れ方向下流側に位置する前記アノード層の下流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が高い割合となっており、前記アノード層の前記上流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が低い割合になっていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
A solid oxide fuel cell comprising an electrolyte layer having ionic conductivity that allows oxide ions to pass through, an anode layer provided on one side of the electrolyte layer, and a cathode layer provided on the other side of the electrolyte layer. A cell,
The anode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses fuel gas,
In the downstream part of the anode layer located downstream in the flow direction of the fuel gas, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity ratio, and in the upstream part of the anode layer The solid oxide fuel cell is characterized in that the ion conductive phase and the electron conductive phase have a low reactivity ratio.
前記カソード層は、電子を伝導する電子伝導相と、イオンを伝導するイオン伝導相と、酸化剤ガスを拡散させる空隙相とを含み、前記酸化剤ガスの流れ方向下流側に位置する前記カソード層の下流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が高い割合となっており、前記アノード層の前記上流側部位においては前記イオン伝導相と前記電子伝導相とは反応性が低い割合になっていることを特徴とする請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
The cathode layer includes an electron conductive phase that conducts electrons, an ion conductive phase that conducts ions, and a void phase that diffuses oxidizing gas, and the cathode layer is located downstream in the flow direction of the oxidizing gas. In the downstream region of the anode layer, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity, and in the upstream region of the anode layer, the ion conductive phase and the electron conductive phase have a high reactivity. The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the solid oxide fuel cell has a low ratio.
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