JP6283330B2 - 電気化学反応単位および燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の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」ともいう)が知られている。SOFCの発電の最小単位である燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」ともいう)は、電解質層と電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、単セルで発生した電力を集めるために単セルの空気極側および燃料極側のそれぞれに配置される導電性を有する集電部材とを備える。空気極と集電部材とが導電性を有する接合層によって接合されることにより、空気極と集電部材とが電気的に接続される。また、接合層は、複数の気孔が形成された多孔質層とされている。
特開2011−99159号公報
上記従来の構成では、空気極、集電部材といった各部材間の熱膨張率の相違などにより、接合層に応力(例えば引っ張り応力)が発生し、接合層の外表面から接合層の内部に向かうクラックが発生することがある。上記従来の構成のように接合層が多孔質層である場合、気孔により、発生した上記応力を分散させることができるため、外表面からのクラックが接合層の内部へと進行することを抑制することができる。そして、接合層の気孔の平均径が大きいほど、気孔による応力の分散性が高いため、クラックの進行を、より確実に抑制することができる。
しかし、次に説明するように、クラックの進行を抑制するために接合層の気孔の径を大きくすると、集電部材と空気極との間の導電性が低下するおそれがある。例えば、接合層と空気極との界面付近には、接合層と空気極とが接触する複数の接触部分が、気孔を介しつつ界面に沿って並ぶ。接合層の気孔の平均径が大きいほど、各接触部分の界面に沿った方向の幅は広くなり、各接触部分間の間隔も広くなることにより、各接触部分の単位面積あたりに流れる電流が多くなるため、各接触部分の単位面積あたりに生じるジュール熱が大きくなる。また、接合層と空気極との界面付近に相対的に径が大きい気孔が1つ存在する場合でも、その気孔の周辺に位置する接触部分の単位面積あたりに流れる電流が多くなるため、当該接触部分の単位面積あたりに生じるジュール熱が大きくなる。すなわち、接合層の気孔の平均径が大きかったり相対的に径が大きい気孔が局所的に存在したりすると、接合層と空気極との間において局所的に電流が集中して流れて大きなジュール熱が生じる電流集中が起こることにより、集電部材や空気極等が熱劣化し、その結果、集電部材と空気極との間の導電性が低下することがある。このような気孔の径に起因する電流集中は、接合層と集電部材との界面付近でも起こり得る。
なお、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」ともいう)の最小単位である電解セル単位にも共通の課題である。本明細書では、発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼ぶ。
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本明細書に開示される電気化学反応単位は、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、を含む単セルと、前記単セルの前記空気極の側に配置される集電部材と、前記集電部材と前記空気極とを接合し、導電性を有する多孔質の接合層と、を備える電気化学反応単位において、前記接合層の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面の内、前記集電部材と前記空気極との間に位置する接合領域には、前記第1の方向の径の大きさが前記接合領域の前記第1の方向の厚さの20%以上である気孔条件を満たす気孔が、前記空気極と前記接合領域との界面の前記接合領域側、および、前記集電部材と前記接合領域との界面の前記接合領域側の少なくとも一方に、少なくとも1つ形成され、かつ、前記接合領域の前記第1の方向に直交する第2の方向の両端の内、前記気孔条件を満たす気孔に近い方の一端から前記気孔条件を満たす気孔まで含むブロック部分と、前記ブロック部分に対して前記接合領域の他端側に位置し、気孔の平均径が前記ブロック部分より小さい導電確保部分と、が含まれていることを特徴とする。本電気化学反応単位によれば、接合層の第1の方向に平行な少なくとも1つの断面の内、集電部材と空気極との間に位置する接合領域には、ブロック部分と導電確保部分とが含まれている。ブロック部分は、第1の方向の径の大きさが第1の方向の接合層の厚さの20%以上である気孔条件を満たす気孔が、空気極と接合領域との界面の接合領域側、および、集電部材と接合領域との界面の接合領域側の少なくとも一方に、少なくとも1つ形成され、かつ、第1の方向に直交する第2の方向の接合領域の両端の内、気孔条件を満たす気孔に近い方の一端から気孔条件を満たす気孔まで含む部分である。導電確保部分は、ブロック部分に対して接合領域の他端側に位置し、気孔の平均径がブロック部分より小さい部分である。ブロック部分に含まれる気孔条件を満たす気孔により、電気化学反応単位を構成する各部材同士の熱膨張率の相違等に起因して発生するクラックが導電確保部分に進行することを抑制することができる。また、導電確保部分の気孔の平均径は、ブロック部分の気孔の平均径よりも小さいため、接合層と、その接合対象部材(空気極、集電部材)との間における局所的な電流集中を抑制することができる。すなわち、クラックの進行を抑制しつつ、接合層と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制し導電性を確保することができる。
(2)上記電気化学反応単位において、前記少なくとも1つの断面において、前記ブロック部分の前記第2の方向の全体の幅は、前記接合領域の前記第2の方向の幅の1/2未満であることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ブロック部分の第2の方向の全体の幅が、接合領域の第2の方向の幅の1/2以上である場合に比べて、接合層と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制することができる。
(3)上記電気化学反応単位において、前記集電部材は、前記空気極に向けて突出する複数の突出部を有し、前記複数の突出部の内、少なくとも半数以上の突出部と前記空気極とが、前記接合層によって接合されていることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、複数の突出部の内、半数未満の突出部と空気極とが、上述したブロック部分および導電確保部分が形成された接合層によって接合されている場合に比べて、クラックの進行を抑制しつつ、接合層と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制することができる。
(4)上記電気化学反応単位において、前記集電部材は、前記空気極に向けて突出する複数の突出部を有し、前記複数の突出部の全てと前記空気極とが、前記接合層によって接合されていることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、複数の突出部の一部と空気極とが、上述したブロック部分と前記導電確保部分とが形成された接合層によって接合されている場合に比べて、クラックの進行を抑制しつつ、接合層と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制することができる。
(5)上記電気化学反応単位において、前記少なくとも1つの断面において、前記ブロック部分は、前記導電確保部分に対して前記第2の方向における両側に形成されていることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ブロック部分は、導電確保部分に対して第2の方向における両側に形成されているため、クラックが導電確保部まで進行することを、より確実に抑制することができる。
(6)上記電気化学反応単位において、前記接合層は、スピネル型酸化物により形成されていることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、接合層は、導電性の高いスピネル型酸化物により形成されているため、接合層と接合対象部材との間における局所的な電流集中をより効果的に抑制することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。
本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図 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 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 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 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 空気極側集電体134および接合層138のXZ断面構成を示す説明図 第1変形例における空気極側集電体134および接合層138aのXZ断面構成を示す説明図 第2変形例における空気極側集電体134bおよび接合層138bのXZ断面構成を示す説明図 第3変形例における燃料電池スタック100cの外観構成を示す説明図 第3変形例における集電部材135cおよび接合層138cのXZ断面構成を示す説明図
A.第1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呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)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。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当し、上下方向に直交する方向(XY平面方向)は、特許請求の範囲における第2の方向に相当し、発電単位102は、特許請求の範囲における電気化学反応単位、燃料電池発電単位に相当する。
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、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。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された連通孔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導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された連通孔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。
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔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導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔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。
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
図4および図5に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレス等のCr(クロム)を含む金属により形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、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、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレス等のCr(クロム)を含む金属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)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。空気極側集電体134、または空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、特許請求の範囲における集電部材に相当する。また、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135は、特許請求の範囲における突出部に相当する。
図4および図5に示すように、空気極側集電体134の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、例えば、スピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5やMnCo、ZnCo、ZnMn、ZnMnCoO、CuMn)により形成されている。空気極側集電体134の表面へのコート136の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、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とが一体の部材として形成されているため、実際には、空気極側集電体134の表面の内、インターコネクタ150との境界面はコート136により覆われていない一方、インターコネクタ150の表面の内、少なくとも酸化剤ガスの流路に面する表面(すなわち、インターコネクタ150における空気極114側の表面や酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162を構成する連通孔108に面した表面等)はコート136により覆われている。また、空気極側集電体134に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート136は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体134を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(または集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(または集電体要素135)」を意味する。
空気極114と空気極側集電体134とは、導電性を有する多孔質の接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、Zn、Mn、Co、Cuの少なくとも1つを含む材料、より具体的には、スピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5やMnCo、ZnCo、ZnMn、ZnMnCoO、CuMn)により形成されている。接合層138は、例えば、接合層用のペーストが空気極114の表面の内、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の先端部と対向する部分に印刷され、各集電体要素135の先端部がペーストに押し付けられた状態で所定の条件で焼成されることにより形成される。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、正確には、(コート136に覆われた)空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。なお、本実施形態では、コート136と接合層138とは、主成分元素が互いに同一であるスピネル型酸化物により形成されている。ここでいう主成分元素とは、スピネル型酸化物を構成する金属元素のことをいう。また、スピネル型酸化物の同定は、X線回折と元素分析を行うことによって実現される。
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134(およびコート136、接合層138)を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2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。また、空気極側集電体134の表面を覆うコート136によって、空気極側集電体134の表面からCrが放出されて拡散する「Cr拡散」と呼ばれる現象が発生することが抑制される。
A−3.空気極側集電体134および接合層138の詳細構成:
図6には、空気極側集電体134および接合層138の上下方向(Z方向)に平行なZX断面構成が示されている。図2、図3および図6に示すように、接合層138は、空気極114と集電体要素135における空気極114と対向する面との間の領域に存在する。なお、本実施形態では、接合層138は、さらに、空気極114と集電体要素135とが対向する対向領域(後述の接合領域400と同じ)から外側(上下方向に直交する方向側)まで延びると共に、集電体要素135における底面BFから空気極114とは反対側に延びる側面LFに沿って上側に延伸している。
図6に示すように、接合層138の上下方向に平行な少なくとも1つの断面(ZX断面)において、空気極114と全ての集電体要素135との間に位置する接合層138の接合領域400には、2つのブロック部分410と、導電確保部分420とが含まれている。接合領域400は、接合層138のXZ断面の内、上下方向に平行に空気極114から集電体要素135まで延びる直線の全長に亘って接合層138が存在し、空気極114と集電体要素135との間の電流経路になっている領域である。従って、本実施形態では、接合領域400は、接合層138のXZ断面全体の領域ではなく、当該XZ断面全体の領域の内、空気極114と集電体要素135との上記対向領域(集電体要素135の両側面LFの間の領域)に一致し、当該対向領域の左右方向の外側の領域は含まない。
2つのブロック部分410は、接合領域400の上下方向に直交する方向(X軸方向 以下、左右方向とも呼ぶ)の両端側に位置する。換言すれば、2つのブロック部分410は、導電確保部分420を挟んで接合領域400の左右方向において互いに対向している。2つのブロック部分410の内、接合領域400の一端側(X軸負方向側)に位置するブロック部分411には、気孔条件を満たす気孔P1が、空気極114と接合領域400(接合層138)との界面の接合領域400側に形成されている。気孔条件は、当該気孔を通過する上下方向に平行な直線L上において、気孔の上下方向の径H1の大きさが接合領域400の上下方向の厚さH2の20%以上であることである。ブロック部分411は、接合領域400の気孔P1に近い方の一端(X軸負方向の端)から、当該気孔P1を含む位置(気孔P1のX軸正方向の端)までの部分である。ブロック部分411では、気孔P1の一部が、ブロック部分411の一端から外側にはみ出している。以下、ブロック部分411の左右方向の幅をD1とする。
2つのブロック部分410の内、接合領域400の他端側(X軸正方向側)に位置するブロック部分412には、上記気孔条件を満たす気孔P2,P3が、空気極側集電体134と接合領域400(接合層138)との界面の接合領域400側に形成されている。ブロック部分412は、接合領域400の気孔P2,P3に近い方の他端(X軸正方向の端)から、当該気孔P2,P3を含む位置(接合領域400の左右方向の中央位置に最も近い気孔P2のX軸負方向の端)までの部分である。ブロック部分412では、2つの気孔P2,P3の全体が、ブロック部分412内に含まれている。以下、ブロック部分412の左右方向の幅をD2とする。
ブロック部分410の左右方向の全体の幅(全てのブロック部分410の幅の合計D1+D2)は、接合領域400の左右方向の幅D4の1/2未満であり、より好ましくは、ブロック部分410の左右方向の全体の幅は、接合領域400の左右方向の幅D4の1/4未満である。なお、1つあたりのブロック部分410の左右方向の幅は、導電確保部分420の左右方向の幅の1/2未満であり、より好ましくは、1つあたりのブロック部分410の左右方向の幅は、導電確保部分420の左右方向の幅の1/4未満である。
導電確保部分420は、2つのブロック部分410の間に位置し、かつ、2つのブロック部分410に隣接している。導電確保部分420には、上記気孔条件を満たす気孔は形成されておらず、導電確保部分420の気孔の平均径が、ブロック部分410の気孔(上記気孔P1〜P3を含む)の平均径より小さい。なお、図6に示すように、接合領域400に気孔条件を満たす複数の気孔P1〜P3が存在する場合、導電確保部分420は、左右方向において最も近くに位置する各気孔条件を満たす気孔間に挟まれる複数の気孔間部分の内、各気孔条件を満たす気孔間の左右方向の距離W1,W2(左右方向の幅)が最も長い気孔間部分である。具体的には、気孔P1と気孔P2との距離W1は、気孔P2と気孔P3との距離W2よりも長いため、気孔P1と気孔P2との間の気孔間部分が、導電確保部分420である。以下、導電確保部分420の左右方向の幅をD3とする。なお、導電確保部分420の左右方向の幅D3は、接合領域400の左右方向の幅D4の1/2以上であることが好ましい。
以上のようなブロック部分410と導電確保部分420とを備える接合領域400は、次のようにして製造することができる。燃料電池スタック100を製造する際に、例えば樹脂ビーズ、カーボンやバインダ等の造孔材を添付した接合層用のペーストを、空気極114の表面の内、各集電体要素135の底面BFと対向する領域に印刷する。次に、各集電体要素135の底面BFによって接合層用のペーストを押し潰すことにより、接合層用のペーストの周縁部を、押し潰す前に比べて、各集電体要素135の側面LFよりも外側にはみ出させ、あるいは、側面LFに沿うように盛り上がらせる。これにより、接合層用のペースト内の中央側に位置する気泡が外側(押し潰す方向に直交する方向側)に押し出される。そして、その状態で焼成する。このような製造方法により、導電確保部分420内から上記気孔条件を満たす気孔を排除し、ブロック部分410内に上記気孔条件を満たす気孔P1〜P3を形成させるとともに、ブロック部分410の気孔の平均径を、当該ブロック部分410よりも接合領域400の内側に位置する導電確保部分420の気孔の平均径よりも大きくすることができる。
A−4.接合層138の分析方法:
まず、接合層138について、上記気孔条件を満たす気孔や、ブロック部分410と導電確保部分420との気孔の平均径を分析するための分析画像を次のようにして取得する。すなわち、接合層138の上下方向および左右方向における全体が確認できる画像であって、空気極側集電体134と接合層138との境界が、当該画像を上下方向に10等分に分割して得られた10コの分割領域の内、最も上の分割領域内に位置し、接合層138と空気極114との境界が、最も下の分割領域内に位置している画像を、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察できるようにして、その画像を撮影することにより、分析画像を取得する。なお、この分析画像は、SEMにより観察された画像を2値化処理した後の2値化画像でもよい。但し、2値化画像における気孔が実際の形態と大きく異なる場合には、SEMにより観察された2値化処理前の画像のコントラストを調整し、その調整後の画像を2値化処理した画像でもよい。また、SEMにより観察された2値化処理前の画像そのものでもよい。また、SEMの画像の倍率は、5,000〜20,000倍とすることができる。なお、分析画像を取得する方法は、これらに限定されず、本分析に適当な画像を得るために適宜変更することができる。
次に、ブロック部分410および導電確保部分420の気孔の平均径は次のようにして特定するものとする。得られたSEM画像において、上下方向(本実施形態ではZ軸方向)に平行な複数の線を、左右方向に所定の間隔(例えば1から5μm間隔)ずつ空けて引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、その気孔にあたる部分の長さの平均値を、当該線上における気孔の平均値とする。各部分(ブロック部分410、導電確保部分420)に引かれた複数の直線における気孔の平均値を、各部分の最終的な気孔の平均径とする。
A−5.本実施形態の効果:
上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100では、接合層138の接合領域400に含まれる各ブロック部分410には、上記気孔条件を満たす気孔が、空気極114と接合領域400との界面の接合領域400側、および、空気極側集電体134と接合領域400との界面の接合領域400側の少なくとも一方に、少なくとも1つ形成されている。このため、次に説明するように、各ブロック部分410は、燃料電池スタック100を構成する各部材同士の熱膨張率の相違等に起因して発生するクラックが導電確保部分420に進行することを抑制する機能を発揮する。
例えば空気極114や空気極側集電体134といった燃料電池スタック100を構成する各部材間の熱膨張率の相違などにより、接合層138に応力が発生し、接合層138の外表面から接合層138の内部に向かうクラックが発生することがある。ここで、接合層138内に形成された気孔の径が大きいほど、当該気孔を形成する接合層138の内壁面の面積が大きくなるため、接合層138に発生した応力を、より多くの互いに異なる複数の方向に分散させることができる。すなわち、分散後の各方向の力の大きさは次の式で示すことができる。
分散後の各方向の力の大きさf=F/A
F:発生した応力の大きさ
A:気孔を形成する138の内壁面の面積
この式より、気孔の径が大きいほど、気孔を形成する接合層138の内壁面の面積が大きくなり、それに伴って、分散後の各方向の力の大きさfが小さくなることが分かる。このことは、気孔の径が大きいほど、当該気孔による応力の分散性が高いことを意味する。また、燃料電池スタック100の発電動作(熱サイクル)を100回繰り返した実験結果により、気孔の上下方向の径の大きさが接合領域400の上下方向の厚さの20%以上であるという上記気孔条件を満たす場合、当該厚さの接合領域400においてクラックの進行を高い確率で止めることができることが判明した。従って、各ブロック部分410は、上記気孔条件を満たす気孔が形成されていることにより、接合層138の外表面の内の各ブロック部分410に近い部位から、接合層138の内部に向かうクラックが導電確保部分420に進行することを抑制する機能を発揮する。
また、上述したように、接合層138の接合領域400に含まれる導電確保部分420には、上記気孔条件を満たす気孔は形成されておらず、気孔の平均径がブロック部分410より小さい。このため、次に説明するように、導電確保部分420は、空気極側集電体134と空気極114との間の導電性を確保する機能を発揮する。
図6に拡大して示すように、空気極114と接合層138との境界線(界面)付近には、空気極114と接合層138とが接触する複数の接触部分Uが、気孔Pを介しつつ境界線に沿って並んでいる。ブロック部分410には、気孔条件を満たす気孔P1が、空気極114と接合領域400との界面の接合領域400側に形成されており、導電確保部分420には、気孔条件を満たす気孔が形成されていない。このため、導電確保部分420における各接触部分Uの左右方向の幅R2は、ブロック部分410における各接触部分Uの左右方向の幅R1に比べて狭い。また、導電確保部分420における各接触部分U間の間隔Q2も、ブロック部分410における各接触部分U間の間隔Q1に比べて狭い。このため、導電確保部分420では、ブロック部分410に比べて、各接触部分Uに流れる電流が少なく各接触部分Uに生じるジュール熱が小さい。
従って、導電確保部分420では、ブロック部分410に比べて、電流集中に起因して空気極114や空気極側集電体134等が熱劣化することが起こり難く、空気極114と空気極側集電体134との間の導電性が低下することが抑制される。すなわち、導電確保部分420は、空気極側集電体134と空気極114との間の導電性を確保する機能を発揮する。以上により、本実施形態によれば、接合層138において、クラックの進行を抑制しつつ、接合層138と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制し導電性を確保することができる。換言すれば、接合層138において、クラックの進行抑制と導電性確保との両立を図ることができる。
また、ブロック部分410の左右方向の全体の幅(全てのブロック部分410の幅の合計D1+D2)は、接合領域400の左右方向の幅D4の1/2未満である。このため、本実施形態によれば、ブロック部分410の左右方向の全体の幅が、接合領域400の左右方向の幅D4の1/2以上である場合に比べて、相対的に気孔の平均径が大きいブロック部分410において接合層138と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制し、接合層138全体として高い導電性を確保することができる。
また、空気極側集電体134を構成する複数の集電体要素135と空気極114との間の全ての接合層138に、上述のブロック部分410および導電確保部分420を含む接合領域400が形成されている。これにより、一部の集電体要素135と空気極114との間の接合層138だけに、ブロック部分410および導電確保部分420を含む接合領域400が形成された構成に比べて、クラックの進行を抑制しつつ、接合層138と接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制し、接合層138全体として高い導電性を確保することができる。
しかも、本実施形態では、接合領域400において、ブロック部分410が導電確保部分420の左右両側に形成されているため、左右両側から導電確保部分420へのクラックの進行を抑制することができる。また、接合層138は、導電性の高いスピネル型酸化物により形成されているため、接合層138と接合対象部材との間における局所的な電流集中をより効果的に抑制することができる。
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
図7には、第1変形例における空気極側集電体134および接合層138aのXZ断面構成が示されている。上記実施形態では、接合層138の左右方向の幅は、集電体要素135の左右方向の幅(両側面LF間の距離)に比べて広かったが、本変形例では、図7に示すように、接合層138aの左右方向の幅は、集電体要素135の左右方向の幅に比べて狭い。このような構成において、接合領域400aは、接合層138aのXZ断面の内、上下方向に平行に空気極114から集電体要素135まで延びる直線の全長に亘って接合層138aが存在し、空気極114と集電体要素135との間の電流経路になっている領域である。従って、本変形例では、接合領域400aは、接合層138aのXZ断面全体の領域ではなく、当該XZ断面全体の領域の内、接合層138aと集電体要素135との境界線(界面)の両端に挟まれる領域に一致し、当該領域の左右方向の外側の領域は含まない。なお、接合領域400aの左右方向の幅D4aは、上記境界線の長さと同じである。
また、本変形例において、接合領域400aには、導電確保部分420aの左右方向の一方側(図7において左側)だけに、上記気孔条件を満たす気孔Paが、空気極114と接合領域400との界面の接合領域400側に形成されたブロック部分410aが形成されている。このような構成であっても、接合層138の外表面の内の当該一方側のブロック部分410aに近い部位から、接合層138aの内部に向かうクラックが導電確保部分420aに進行することを抑制することができる。なお、このように、導電確保部分420aの左右両側のいずれか一方側だけにブロック部分410aが形成されている構成では、十分な導電性を確保するために、導電確保部分420aの左右方向の幅D3aは、接合領域400aの左右方向の幅D4aの60%以上、あるいは、75%以上であることが好ましい。一方、ブロック部分410aの左右方向の幅D1aは、接合領域400aの左右方向の幅D4aの1/3未満、あるいは、1/4未満であることが好ましい。
図8には、第2変形例における空気極側集電体134bおよび接合層138bのXZ断面構成が示されている。上記実施形態では、インターコネクタ150から空気極側集電体134を構成する各集電体要素135が突出するように形成されていたが、本変形例では、空気極114bから突出部135bがインターコネクタ150bに向けて突出するように形成されている。各突出部135bは、空気極114bと同一材料で形成されており、各突出部135bと空気極114bとは一体の部材として形成されている。各突出部135bとインターコネクタ150bの下側の平坦面とが接合層138bによって接合されている。インターコネクタ150bは、特許請求の範囲における集電部材に相当する。
この接合層138bの内、突出部135bとインターコネクタ150bとが上下方向において対向する対向領域に一致する領域が接合領域400bである。この接合領域400bには、上記気孔条件を満たす気孔Pbが形成された2つのブロック部分410bと、導電確保部分420bとが含まれる。2つのブロック部分410bは、導電確保部分420bを挟んで左右方向に対向している。これにより、接合層138bにおいて、クラックの進行を抑制しつつ、接合層138bと接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制し導電性を確保することができる。
図9には、第3変形例における燃料電池スタック100cの外観構成が示されており、図10には、第3変形例における集電部材135cおよび接合層138cのXZ断面構成が示されている。なお、図9では、後述の接合層138cの図示は省略されている。図9に示すように、本変形例の燃料電池スタック100cは、互いに所定間隔をあけて並んで配置された複数の発電単位102cを有する。複数の発電単位102cは、隣り合う発電単位102c同士の間に配置された集電部材135cを介して電気的に直列に接続されている。各発電単位102cは、扁平柱形状の外観を有し、電極支持体520と、燃料極116cと、固体電解質層112cと、空気極114cと、インターコネクタ150cとを備える。
電極支持体520は、楕円形状の断面を有する柱状体であり、多孔質材料で形成されている。電極支持体520の内部には,柱状体の延伸方向に延びる複数の燃料ガス流路510が形成されている。燃料極116cは、電極支持体520の側面の内、互いに平行な一対の平坦面の一方と、各平坦面の端部同士をつなぐ2つの曲面とを覆うように設けられている。固体電解質層112cは、この燃料極116cの側面を覆うように設けられている。空気極114cは、固体電解質層112cの側面の内、電極支持体520の平坦面上に位置する部分を覆うように設けられている。インターコネクタ150cは、燃料極116cおよび固体電解質層112cが設けられていない側の電極支持体520の平坦面上に設けられている。上述した集電部材135cは、発電単位102cの空気極114cと、その発電単位102cに隣り合う発電単位102cのインターコネクタ150cとを電気的に接続する。
図10に示すように、空気極114cの下側の平坦面と集電部材135cとが接合層138cによって接合されている。この接合層138cの左側(X軸負方向側)の側壁の内、最も右側に位置する部位と、接合層138cの右側(X軸正方向側)の側壁の内、最も左側に位置する部位との間の領域が接合領域400cである。この接合領域400cには、上記気孔条件を満たす気孔Pcが形成された2つのブロック部分410cと、導電確保部分420cとが含まれる。2つのブロック部分410cは、導電確保部分420cを挟んで左右方向に対向している。これにより、接合層138cにおいて、クラックの進行を抑制しつつ、接合層138cと接合対象部材との間における局所的な電流集中を抑制し導電性を確保することができる。
上記実施形態において、2つのブロック部分410cの左右方向の全体の幅(=D1c+D2c)を、接合領域400cの左右方向の幅D4cの1/2以上としてもよい。このような構成であれば、導電確保部分420へのクラックの進行をより効果的に抑制することができる。
上記実施形態において、空気極側集電体134を構成する複数の集電体要素135の内の一部の集電体要素135と空気極114との間の接合層138だけに、上述のブロック部分410および導電確保部分420を含む接合領域400が形成されてもよい。当該一部の集電体要素135は、複数の集電体要素135の内の半数以上であることが好ましい。この構成によれば、複数の集電体要素135の内、半数未満の集電体要素135と空気極114とが、ブロック部分410および導電確保部分420を含む接合領域400が形成された接合層138によって接合されている場合に比べて、クラックの進行を抑制しつつ、接合層138と接合対象部材(空気極114、集電体要素135)との間における局所的な電流集中を抑制することができる。
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。
また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各連通孔108とは別に設けてもよい。
また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。
また、上記実施形態において、空気極側集電体134と、それに隣接するインターコネクタ150とが別部材であってもよい。また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、空気極側集電体134は、Crを含む金属により形成されているが、空気極側集電体134は、コート136により覆われていれば他の材料により形成されていてもよい。また、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の形状は、四角柱状に限らず、インターコネクタ150側から空気極114側に突出するような形状であれば他の形状であってもよい。
また、上記実施形態では、コート136および接合層138は、主成分元素が互いに同一であるスピネル型酸化物により形成されているが、主成分元素が互いに異なるスピネル型酸化物により形成されていてもよい。また、上記実施形態では、コート136および接合層138は、ZnとMnとCoとCuとの少なくとも1つを含むスピネル型酸化物により形成されているが、これらの元素を含まないスピネル型酸化物により形成されていてもよい。また、上記実施形態では、コート136および接合層138は、スピネル型酸化物により形成されているが、ペロブスカイト型酸化物等の他の材料により形成されていてもよい。なお、集電部材は、Cr拡散等の問題が生じない材料で形成される場合には、コートに覆われていない構成でもよい。
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。
本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。
また、上記実施形態(または変形例、以下同様)では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102について、接合層138の接合領域400にブロック部分410および導電確保部分420が形成された構成であるとしているが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの発電単位102について、そのような構成となっていれば、クラックの進行抑制と導電性確保との両立を図ることができるという効果を奏する。
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(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2014−207120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。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、接合層の接合領域にブロック部分および導電確保部分が形成された構成を採用すれば、クラックの進行抑制と導電性確保との両立を図ることができるという効果を奏する。
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100,100c:燃料電池スタック 102,102c:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112,112c:電解質層 114,114b,114c:空気極 116,116c:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 134b:空気極側集電体 135:集電体要素 135b:突出部 135c:集電部材 136:コート 138,138a,138b,138c:接合層 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150,150b,150c:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 400,400a,400b,400c:接合領域 410,410a,410b,410c:ブロック部分 420,420a,420b,420c:導電確保部分 510:電極支持体 520:燃料ガス流路 P:気孔

Claims (8)

  1. 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、を含む単セルと、
    前記単セルの前記空気極の側に配置される集電部材と、
    前記集電部材と前記空気極とを接合し、導電性を有する多孔質の接合層と、を備える電気化学反応単位において、
    前記接合層の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面の内、前記集電部材と前記空気極との間に位置する接合領域には、
    前記第1の方向の径の大きさが前記接合領域の前記第1の方向の厚さの20%以上である気孔条件を満たす気孔が、前記空気極と前記接合領域との界面の前記接合領域側、および、前記集電部材と前記接合領域との界面の前記接合領域側の少なくとも一方に、少なくとも1つ形成され、かつ、前記接合領域の前記第1の方向に直交する第2の方向の両端の内、前記気孔条件を満たす気孔に近い方の一端から前記気孔条件を満たす気孔まで含むブロック部分と、
    前記ブロック部分に対して前記接合領域の他端側に位置し、前記気孔条件を満たす気孔が形成されておらず、かつ、気孔の平均径が前記ブロック部分より小さい導電確保部分と、が含まれていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  2. 請求項1に記載の電気化学反応単位において、
    前記少なくとも1つの断面において、前記ブロック部分の前記第2の方向の全体の幅は、前記接合領域の前記第2の方向の幅の1/2未満であることを特徴とする、電気化学反応単位。
  3. 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単位において、
    前記集電部材は、前記空気極に向けて突出する複数の突出部を有し、
    前記複数の突出部の内、少なくとも半数以上の突出部と前記空気極とが、前記接合層によって接合されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  4. 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単位において、
    前記集電部材は、前記空気極に向けて突出する複数の突出部を有し、
    前記複数の突出部の全てと前記空気極とが、前記接合層によって接合されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  5. 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位において、
    前記少なくとも1つの断面において、前記ブロック部分は、前記導電確保部分に対して前記第2の方向における両側に形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記接合層は、スピネル型酸化物により形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記電気化学反応単位は、発電を行う燃料電池発電単位であることを特徴とする、電気化学反応単位。
  8. 複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックにおいて、
    前記複数の燃料電池発電単位の少なくとも1つは、請求項7に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。
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