JP6774230B2 - Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack Download PDF

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Description

本明細書によって開示される技術は、集電部材−電気化学反応単セル複合体に関する。 The techniques disclosed herein relate to current collector-electrochemical reaction single cell complexes.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。空気極は、例えば、LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)等のペロブスカイト型酸化物により形成されている。燃料極は、例えば、Ni(ニッケル)またはNi基合金等の導電性金属を含むように形成されている。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") having an electrolyte layer containing a solid oxide is known as one of the types of fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Has been done. A fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”), which is a constituent unit of an SOFC, includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a predetermined direction with the electrolyte layer in between. The air electrode is formed of, for example, a perovskite-type oxide such as LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide). The fuel electrode is formed to contain a conductive metal such as Ni (nickel) or a Ni-based alloy.

SOFCには、単セルにおける発電反応により得られた電気エネルギーを集める集電部材が設けられる。例えば、単セルの燃料極側には、燃料極側集電部材が配置される。燃料極側集電部材は、燃料極内部への燃料ガスの供給を阻害することなく集電機能を発揮するため、燃料極の表面に接する複数の凸部を有するように構成される(例えば、特許文献1参照)。なお、本明細書では、単セルと燃料極側集電部材とから構成される構造体を、集電部材−燃料電池単セル複合体という。 The SOFC is provided with a current collecting member that collects electrical energy obtained by a power generation reaction in a single cell. For example, a fuel electrode side current collector is arranged on the fuel electrode side of the single cell. The fuel electrode side current collecting member is configured to have a plurality of protrusions in contact with the surface of the fuel electrode in order to exert a current collecting function without obstructing the supply of fuel gas to the inside of the fuel electrode (for example,. See Patent Document 1). In this specification, a structure composed of a single cell and a fuel electrode side current collecting member is referred to as a current collecting member-fuel cell single cell composite.

特開2014−216297号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-216297

従来の集電部材−燃料電池単セル複合体では、燃料極側集電部材の凸部が燃料極表面から剥がれることがあり、信頼性の点で向上の余地があった。 In the conventional current collector-fuel cell single cell composite, the convex portion of the fuel electrode side current collector member may be peeled off from the surface of the fuel electrode, and there is room for improvement in terms of reliability.

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」という)の構成単位である電解単セルと燃料極側集電部材とから構成される集電部材−電解単セル複合体にも共通の問題である。なお、本明細書では、集電部材−燃料電池単セル複合体と集電部材−電解単セル複合体とをまとめて集電部材−電気化学反応単セル複合体と呼ぶ。また、このような問題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルと燃料極側集電部材とから構成される集電部材−電気化学反応単セル複合体にも共通の問題である。 It should be noted that such a problem is caused by the electrolytic single cell and the fuel electrode side collection, which are the constituent units of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. It is also a common problem in the current collecting member-electrolyzed single cell composite composed of the electric member. In this specification, the current collector-fuel cell single cell composite and the current collector-electrolytic single cell composite are collectively referred to as a current collector-electrochemical reaction single cell composite. Further, such a problem is common not only to SOFC and SOEC but also to a current collector-electrochemical reaction single cell composite composed of another type of electrochemical reaction single cell and a fuel electrode side current collector. It is a problem of.

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

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized, for example, in the following forms.

(1)本明細書に開示される集電部材−電気化学反応単セル複合体は、電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および導電性金属を含む燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記燃料極側に配置され、前記燃料極の表面に接する複数の凸部を有する集電部材と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記燃料極は、前記第1の方向視で前記凸部と重なる凸部重複領域における前記表面を含む部分である第1の部分であって、前記第1の方向に直交する第2の方向において前記第1の部分の隣に位置すると共に前記第1の方向視で前記凸部と重ならない部分である第2の部分より導電性金属の含有率(vol%)が高く、かつ、前記第1の方向における厚さが、前記燃料極における前記表面から気孔率が前記第1の部分の気孔率をはじめて下回る位置までの厚さの25%以下である第1の部分を有する。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、燃料極と集電部材の凸部との界面付近において、燃料極に含まれる導電性金属と集電部材の凸部との接触面積を増やすことができ、その結果、燃料極と集電部材の凸部とが強固に接合され、燃料極と集電部材の凸部との間の剥離の発生を抑制することができる。また、本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、燃料極における第1の部分を除く大半の部分は気孔率が高い構成とされるため、燃料極におけるガス拡散性の低下を抑制することができる。 (1) The current collector-electrochemical reaction single cell composite disclosed in the present specification includes an air electrode and a fuel electrode containing a conductive metal that face each other in the first direction with the electrolyte layer and the electrolyte layer sandwiched between them. A current collector-electricity comprising an electrochemical reaction single cell including the above, and a current collector member arranged on the fuel electrode side of the electrochemical reaction single cell and having a plurality of protrusions in contact with the surface of the fuel electrode. In the chemical reaction single cell composite, the fuel electrode is a first portion including the surface in the convex overlapping region overlapping the convex portion in the first direction, and is the first direction. The content of conductive metal (vol%) from the second portion, which is located next to the first portion in the second direction orthogonal to the first portion and does not overlap with the convex portion in the first direction view. The first is high, and the thickness in the first direction is 25% or less of the thickness from the surface of the fuel electrode to the position where the pore ratio is first below the pore ratio of the first portion. Has a part. According to this current collector-electrochemical reaction single cell composite, the contact area between the conductive metal contained in the fuel electrode and the convex portion of the current collector member near the interface between the fuel electrode and the convex portion of the current collector member. As a result, the fuel electrode and the convex portion of the current collector member are firmly joined, and the occurrence of peeling between the fuel electrode and the convex portion of the current collector member can be suppressed. Further, according to this current collector-electrochemical reaction single cell composite, most of the parts other than the first part in the fuel electrode have a high porosity, so that the gas diffusivity in the fuel electrode is lowered. It can be suppressed.

(2)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記燃料極は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子を含み、前記第1の部分は、前記導電性金属の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、前記第2の部分は、前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、気孔率が30(vol%)以上である構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、燃料極における第1の部分および第2の部分の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率をある程度高く保つことによって、燃料極の強度を確保することができ、燃料極における第1の部分の導電性金属の含有率をある程度高く保つことによって、燃料極と集電部材の凸部との間の剥離の発生を抑制することができ、燃料極における第2の部分の気孔率をある程度高く保つことによって、燃料極におけるガス拡散性の低下を抑制することができる。 (2) In the current collector-electrochemical reaction single cell composite, the fuel electrode contains oxide ion conductive ceramic particles, and the first portion has a porosity of the conductive metal of 30 (vol). %) Or more, and the content of the oxide ion conductive ceramic particles is 30 (vol%) or more, and in the second portion, the content of the oxide ion conductive ceramic particles is 30 (%) or more. It may be configured such that the porosity is 30 (vol%) or more and the porosity is 30 (vol%) or more. According to this current collector-electrochemical reaction single cell composite, the strength of the fuel electrode is maintained by keeping the content of oxide ion conductive ceramic particles in the first portion and the second portion of the fuel electrode high to some extent. By keeping the content of the conductive metal in the first portion of the fuel electrode high to some extent, it is possible to suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode and the convex portion of the current collecting member. By keeping the porosity of the second portion of the fuel electrode high to some extent, it is possible to suppress a decrease in gas diffusivity at the fuel electrode.

(3)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記第1の部分における前記導電性金属と前記集電部材とは、同一の金属元素を含む構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、燃料極における第1の部分と集電部材との接合性を高めることができ、燃料極と集電部材の凸部との間の剥離の発生を効果的に抑制することができる。 (3) In the current collector-electrochemical reaction single cell composite, the conductive metal and the current collector member in the first portion may be configured to contain the same metal element. According to this current collector-electrochemical reaction single cell composite, the bondability between the first portion of the fuel electrode and the current collector member can be improved, and the bond between the fuel electrode and the convex portion of the current collector member can be improved. The occurrence of peeling can be effectively suppressed.

(4)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記集電部材は、各前記凸部における一部分を構成する集電体本体と、前記集電体本体と前記燃料極の前記表面との間に介在し、各前記凸部における前記燃料極の前記表面に接する部分を構成する接合層と、を含み、前記第1の部分における前記導電性金属と前記接合層とは、同一の金属元素を含む構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、燃料極における第1の部分と接合層との接合性を高めることができ、燃料極と集電部材の凸部との間の剥離の発生を効果的に抑制することができる。 (4) In the current collector-electrochemical reaction single cell composite, the current collector member includes a current collector main body that forms a part of each of the convex portions, and the surface of the current collector main body and the fuel electrode. The conductive metal and the bonding layer in the first portion are the same, including a bonding layer that is interposed between the two and constitutes a portion of each of the convex portions that is in contact with the surface of the fuel electrode. The configuration may include a metal element. According to this current collector-electrochemical reaction single cell composite, the bondability between the first portion of the fuel electrode and the junction layer can be improved, and the separation between the fuel electrode and the convex portion of the current collector member can be improved. Can be effectively suppressed.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、集電部材−電気化学反応単セル複合体(集電部材−燃料電池単セル複合体または集電部材−電解単セル複合体)、集電部材−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の集電部材−電気化学反応単セルまたは電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, a current collector-electrochemical reaction single cell complex (current collector-fuel cell single cell complex or collection). (Electrical member-electrolytic single cell complex), current collector-electrochemical reaction single cell complex, electrochemical reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit), multiple current collector-electrochemical reaction single cell or It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) including an electrochemical reaction unit, a method for producing them, and the like.

第1実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the appearance structure of the fuel cell stack 100 in 1st Embodiment. 図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of II-II of FIG. 図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of III-III of FIG. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 燃料極116の詳細構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detailed structure of the fuel electrode 116. 第1の性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 1st performance evaluation result. 第2の性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 2nd performance evaluation result. 第3の性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 3rd performance evaluation result. 第4の性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the 4th performance evaluation result. 第1の部分PA1の厚さTxの特定方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the method of specifying the thickness Tx of the 1st part PA1.

A.実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II of FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III of FIG. Each figure shows XYZ axes that are orthogonal to each other to identify the direction. In the present specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as an upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as a downward direction, but the fuel cell stack 100 is actually in a direction different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIGS. 4 and later.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) fuel cell power generation units (hereinafter, simply referred to as “power generation units”) 102, and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。 A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100 in the vertical direction. , The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as communication holes 108.

各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。 A bolt 22 extending in the vertical direction is inserted into each communication hole 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and the nuts 24 fitted on both sides of the bolt 22. As shown in FIGS. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 forming the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt. An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the 22 and the lower surface of the end plate 106 forming the lower end of the fuel cell stack 100. However, in the place where the gas passage member 27 described later is provided, the insulating sheets arranged on the upper side and the lower side of the gas passage member 27 and the gas passage member 27 between the nut 24 and the surface of the end plate 106, respectively. 26 is intervening. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic dust sheet, a glass sheet, a glass-ceramic composite agent, or the like.

各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。 The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the position is near the midpoint of one side (the side on the positive side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z direction. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted, the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated for each power generation. It functions as an oxidizer gas introduction manifold 161 that is a gas flow path supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) located in the vicinity and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted provides the oxidant off-gas OOG, which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. It functions as an oxidant gas discharge manifold 162 that discharges to the outside of the fuel cell stack 100. In this embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。 Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the positive direction of the Y axis among the two sides parallel to the X axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z direction. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located in the above and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted, the fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. A bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the Y axis of the two sides parallel to the X axis). The space formed by (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted sends the fuel off-gas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as a fuel gas discharge manifold 172 to be discharged. In the present embodiment, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used as the fuel gas FG.

燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。 The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow tubular main body 28 and a hollow tubular branch 29 branched from the side surface of the main body 28. The hole of the branch portion 29 communicates with the hole of the main body portion 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and fuel gas. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Structure of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is arranged above the power generation unit 102 located at the top, and the other end plate 106 is arranged below the power generation unit 102 located at the bottom. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
(Structure of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of two power generation units 102.

図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air pole side frame 130, an air pole side current collector 134, a fuel pole side frame 140, and a fuel pole side. It includes a current collector 144 and a pair of interconnectors 150 that form the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. Holes corresponding to the communication holes 108 through which the above-mentioned bolts 22 are inserted are formed on the peripheral edges of the separator 120, the air pole side frame 130, the fuel pole side frame 140, and the interconnector 150 in the Z direction.

インターコネクタ150は、Z方向視で単セル110より大きい略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。 The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member larger than the single cell 110 in the Z direction, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents mixing of reaction gases between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a certain power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes a pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112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。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 facing each other in the vertical direction (arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 in between. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel pole support type single cell in which the fuel pole 116 supports the electrolyte layer 112 and the air pole 114.

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。燃料極116の構成については、後に詳述する。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。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), perovskite-type oxide. It is formed of solid oxides such as. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide), LSM (lanternstrontium manganese oxide), LNF (lantern nickel iron)). Has been done. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, Ni (nickel), a cermet composed of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The configuration of the fuel electrode 116 will be described in detail later. As described above, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。 The separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of metal, for example. The peripheral portion of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral edge of the surface of the electrolyte layer 112 on the side of the air electrode 114. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag wax) arranged at the opposite portion thereof. The separator 120 partitions the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and a gas leak from one electrode side to the other electrode side at the peripheral edge of the single cell 110. It is suppressed.

空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド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。 The air electrode side frame 130 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, an insulator such as mica. The hole 131 of the air electrode side frame 130 constitutes an air chamber 166 facing the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. .. Further, the air electrode side frame 130 electrically insulates between the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102. Further, in the air electrode side frame 130, the oxidant gas supply communication hole 132 that communicates the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and the oxidant gas that communicates the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed.

燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド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。 The fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, metal. Hole 141 of the fuel electrode side frame 140 constitutes a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral edge of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. Further, in the fuel electrode side frame 140, a fuel gas supply communication hole 142 that communicates the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.

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。本実施形態では、燃料極側集電体144は、Ni箔により形成されている。電極対向部145における燃料極116に対向する側の表面の略全面には、導電性の接合層310が配置されている。本実施形態では、接合層310は、NiO(酸化ニッケル)により形成されている。電極対向部145の表面に配置された接合層310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(すなわち、燃料極116における燃料極側集電体144に対向する側の表面であり、以下、「集電部材対向面S1」という)に接触している。また、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および接合層310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。 The fuel electrode side current collector 144 is arranged in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or nickel alloy. , Stainless steel, etc. In the present embodiment, the fuel electrode side current collector 144 is formed of Ni foil. A conductive bonding layer 310 is arranged on substantially the entire surface of the electrode facing portion 145 on the side facing the fuel electrode 116. In this embodiment, the bonding layer 310 is formed of NiO (nickel oxide). The bonding layer 310 arranged on the surface of the electrode facing portion 145 is a surface of the fuel pole 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 (that is, a side of the fuel pole 116 facing the fuel pole side current collector 144). It is the surface of the above, and is in contact with the "current collector facing surface S1"). Further, the interconnector facing portion 146 is in contact with the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 is the lower end plate. It is in contact with 106. Since the fuel electrode side current collector 144 and the junction layer 310 have such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. A spacer 149 formed of, for example, mica is arranged between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144 follow. Good electrical connection with is maintained.

図4に示すように、本実施形態では、燃料極側集電体144は、矩形の平板形状部材に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図4に示す部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、複数の矩形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。また、本実施形態では、電極対向部145および接合層310は、Z方向視で略格子状(格子の各交点上)に配置されている。Z方向視で、各電極対向部145の面積(すなわち、接合層310の面積)は、例えば1〜1000(mm)である。 As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the fuel electrode side current collector 144 is manufactured by making a notch in a rectangular flat plate-shaped member and processing the plurality of rectangular portions so as to bend them up. The bent rectangular portion becomes the electrode facing portion 145, the flat plate portion having a hole other than the bent portion becomes the interconnector facing portion 146, and the portion connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 is connected. It becomes part 147. In the partially enlarged view shown in FIG. 4, in order to show the manufacturing method of the fuel electrode side current collector 144, a state before the bending raising process of a part of a plurality of rectangular portions is completed is shown. Further, in the present embodiment, the electrode facing portions 145 and the bonding layer 310 are arranged in a substantially grid pattern (on each intersection of the grids) in the Z direction. In the Z direction, the area of each electrode facing portion 145 (that is, the area of the bonding layer 310) is, for example, 1 to 1000 (mm 2 ).

なお、本明細書では、各発電単位102において、単セル110の燃料極116側に位置する接合層310と燃料極側集電体144とインターコネクタ150との集合体を、燃料極側集電部材400という。燃料極側集電部材400は、上述した通りの構成であるため、Z方向視で単セル110より大きい平板形状部材(インターコネクタ150)と、燃料極116の集電部材対向面S1に接する複数の凸部(燃料極側集電体144における電極対向部145と、該電極対向部145の表面に設けられた接合層310との集合体であり、以下、「集電部材凸部410」という)とを有すると言える(図6参照)。燃料極側集電部材400は、特許請求の範囲における集電部材に相当し、複数の集電部材凸部410は、特許請求の範囲における複数の凸部に相当する。また、各集電部材凸部410における一部分を構成する電極対向部145は、特許請求の範囲における集電体本体に相当し、電極対向部145(集電体本体)と燃料極116の集電部材対向面S1との間に介在し、各集電部材凸部410における燃料極116の集電部材対向面S1に接する部分を構成する接合層310は、特許請求の範囲における接合層に相当する。また、本明細書では、単セル110と燃料極側集電部材400(燃料極側集電体144、接合層310、インターコネクタ150)とから構成される構造体を、集電部材−燃料電池単セル複合体(以下、単に「集電部材−単セル複合体」という)107という。 In this specification, in each power generation unit 102, an aggregate of the junction layer 310 located on the fuel pole 116 side of the single cell 110, the fuel pole side current collector 144, and the interconnector 150 is collected on the fuel pole side. It is called a member 400. Since the fuel electrode side current collector 400 has the same configuration as described above, a plurality of flat plate-shaped members (interconnectors 150) larger than the single cell 110 in the Z direction and a plurality of members in contact with the current collector facing surface S1 of the fuel electrode 116. (Aggregation of the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 and the bonding layer 310 provided on the surface of the electrode facing portion 145, hereinafter referred to as "current collector convex portion 410". ) And (see FIG. 6). The fuel electrode side current collecting member 400 corresponds to a current collecting member in the claims, and the plurality of current collecting member convex portions 410 correspond to a plurality of convex portions in the claims. Further, the electrode facing portion 145 forming a part of each current collector convex portion 410 corresponds to the current collector main body within the claims, and the current collector of the electrode facing portion 145 (current collector main body) and the fuel electrode 116. The joint layer 310 interposed between the member facing surface S1 and forming a portion of each current collecting member convex portion 410 in contact with the current collecting member facing surface S1 of the fuel electrode 116 corresponds to the bonding layer within the scope of the claims. .. Further, in the present specification, a structure composed of a single cell 110 and a fuel pole side current collector 400 (fuel pole side current collector 144, junction layer 310, interconnector 150) is referred to as a current collector-fuel cell. It is referred to as a single cell composite (hereinafter, simply referred to as "current collector-single cell composite") 107.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。 The air pole side current collector 134 is arranged in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 on the side facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 has an upper end plate. It is in contact with 104. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, the flat plate-shaped portion of the integral member that is orthogonal to the vertical direction (Z-axis direction) functions as the interconnector 150, and is formed so as to project from the flat plate-shaped portion toward the air electrode 114. The current collector element 135, which is a plurality of convex portions, functions as the air electrode side current collector 134. Further, the integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coat, and both are placed between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134. A conductive bonding layer to be bonded may be interposed.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the oxidizer gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 is performed from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to the fuel chamber 176 through the hole 142.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110 are supplied. Power is generated by an electrochemical reaction with. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air pole 114 of the single cell 110 is electrically connected to one of the interconnectors 150 via the air pole side current collector 134, and the fuel pole 116 is via the fuel pole side current collector 144. It is electrically connected to the other interconnector 150. Further, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electric energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. Since the SOFC generates electricity at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is a heater (for example, until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation after the start-up. (Not shown) may be heated.

各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。 As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133, and further oxidized. The fuel cell stack 100 is passed through the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162, and the gas pipe (not shown) connected to the branch 29. It is discharged to the outside of. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 through the fuel gas discharge communication hole 143, and further, the fuel gas. To the outside of the fuel cell stack 100 via the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172, and via a gas pipe (not shown) connected to the branch 29. It is discharged.

A−3.燃料極116の詳細構成:
図6は、燃料極116の詳細構成を示す説明図である。図6には、図4のX1部の構成が拡大して示されている。図6に示すように、燃料極116は、基板層220と活性層210とを備える。基板層220は、Z方向において燃料極側集電体144に近い側(下側)の部分であり、集電部材対向面S1を含む部分である。また、活性層210は、Z方向において基板層220と電解質層112との間に位置する部分であり、燃料極116における電解質層112に対向する表面を含む部分である。
A-3. Detailed configuration of fuel pole 116:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the fuel electrode 116. FIG. 6 shows an enlarged configuration of the X1 portion of FIG. As shown in FIG. 6, the fuel electrode 116 includes a substrate layer 220 and an active layer 210. The substrate layer 220 is a portion on the side (lower side) closer to the fuel electrode side current collector 144 in the Z direction, and is a portion including the current collector facing surface S1. Further, the active layer 210 is a portion located between the substrate layer 220 and the electrolyte layer 112 in the Z direction, and is a portion of the fuel electrode 116 including a surface facing the electrolyte layer 112.

燃料極116の基板層220は、主として、単セル110を構成する他の層(活性層210、電解質層112、空気極114)を支持すると共に、燃料室176から供給される燃料ガスFGを拡散させ、さらに、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する層である。また、活性層210は、主として、電解質層112から供給される酸化物イオンと燃料室176から基板層220を介して供給される燃料ガスFGに含まれる水素との反応の場として機能する層である。なお、本実施形態では、活性層210の活性を高めるため、活性層210におけるNiの含有率(vol%)は、基板層220におけるNiの含有率より高い。また、基板層220の強度を高めるため、Z方向において、基板層220の厚さは、活性層210の厚さより厚い。また、基板層220のガス拡散性を高めるために、基板層220の気孔率は、活性層210の気孔率より高い。 The substrate layer 220 of the fuel electrode 116 mainly supports other layers (active layer 210, electrolyte layer 112, air electrode 114) constituting the single cell 110, and diffuses the fuel gas FG supplied from the fuel chamber 176. It is a layer that functions as a place to collect electricity obtained by the power generation reaction. Further, the active layer 210 is a layer that mainly functions as a reaction field between the oxide ions supplied from the electrolyte layer 112 and hydrogen contained in the fuel gas FG supplied from the fuel chamber 176 via the substrate layer 220. is there. In this embodiment, in order to increase the activity of the active layer 210, the Ni content (vol%) in the active layer 210 is higher than the Ni content in the substrate layer 220. Further, in order to increase the strength of the substrate layer 220, the thickness of the substrate layer 220 is thicker than that of the active layer 210 in the Z direction. Further, in order to increase the gas diffusivity of the substrate layer 220, the porosity of the substrate layer 220 is higher than the porosity of the active layer 210.

本実施形態では、燃料極116の活性層210および基板層220は、共に、導電性金属であるNiと酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZの粒子とのサーメットにより形成されている。なお、上述したように、本実施形態では、燃料極側集電部材400の集電部材凸部410を構成する燃料極側集電体144の電極対向部145および接合層310も導電性金属であるNiを含んでいる。そのため、燃料極116と集電部材凸部410(燃料極側集電体144の電極対向部145および接合層310)とは、同一の金属元素(Ni)を含んでいると言える。 In the present embodiment, both the active layer 210 and the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 are formed of cermet particles of Ni, which is a conductive metal, and YSZ, which is an oxide ion conductive ceramic. As described above, in the present embodiment, the electrode facing portion 145 and the bonding layer 310 of the fuel electrode side current collector 144 constituting the current collector convex portion 410 of the fuel electrode side current collector 400 are also made of conductive metal. Contains some Ni. Therefore, it can be said that the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collector member (the electrode facing portion 145 of the current collector 144 on the fuel electrode side and the junction layer 310) contain the same metal element (Ni).

本実施形態では、基板層220における集電部材対向面S1から厚さTxの領域(以下、「表層領域SP」という)を、Z方向に直交する方向(以下、「面方向」という)に並ぶ第1の部分PA1と第2の部分PA2とに分けると、第1の部分PA1における導電性金属(Ni)の含有率(vol%)は、第2の部分PA2における導電性金属の含有率より高くなっている。ここで、第1の部分PA1は、Z方向視で、集電部材凸部410(電極対向部145と接合層310との集合体)の先端面(すなわち、接合層310の燃料極116に対向する側の表面)と重なる凸部重複領域AR1に含まれる部分であり、第2の部分PA2は、Z方向視で、集電部材凸部410の先端面と重ならない凸部非重複領域AR2に含まれる部分である。すなわち、本実施形態では、面方向において、第2の部分PA2は2つの第1の部分PA1の間に位置している。このように、本実施形態では、基板層220における表層領域SPの内、集電部材凸部410に接する部分(第1の部分PA1)において、導電性金属の含有率が、集電部材凸部410に接しない部分(第2の部分PA2)より高くなっていると言える。 In the present embodiment, a region having a thickness Tx (hereinafter referred to as “surface layer region SP”) from the current collecting member facing surface S1 in the substrate layer 220 is arranged in a direction orthogonal to the Z direction (hereinafter referred to as “plane direction”). When divided into the first portion PA1 and the second portion PA2, the content (vol%) of the conductive metal (Ni) in the first portion PA1 is higher than the content of the conductive metal in the second portion PA2. It's getting higher. Here, the first portion PA1 faces the tip surface (that is, the fuel electrode 116 of the junction layer 310) of the current collector convex portion 410 (the aggregate of the electrode facing portion 145 and the junction layer 310) in the Z direction. The portion included in the convex overlapping region AR1 that overlaps with the surface on the side of the current collector), and the second portion PA2 is formed in the convex non-overlapping region AR2 that does not overlap with the tip surface of the current collecting member convex portion 410 in the Z direction. This is the part that is included. That is, in the present embodiment, the second portion PA2 is located between the two first portions PA1 in the plane direction. As described above, in the present embodiment, the content of the conductive metal in the portion (first portion PA1) in contact with the convex portion 410 of the current collecting member in the surface layer region SP of the substrate layer 220 is the convex portion of the current collecting member. It can be said that it is higher than the portion that does not touch the 410 (second portion PA2).

なお、第1の部分PA1における導電性金属の含有率を高くするために、酸化物イオン伝導性セラミックスの含有率を低くすると、第1の部分PA1の強度が低下するため好ましくない。そのため、本実施形態では、第1の部分PA1における導電性金属の含有率を高くするために、第1の部分PA1における気孔率を低下させている。換言すれば、第1の部分PA1における気孔率は、第2の部分PA2における気孔率よりも低くなっていると言える。 If the content of the oxide ion conductive ceramics is lowered in order to increase the content of the conductive metal in the first portion PA1, the strength of the first portion PA1 is lowered, which is not preferable. Therefore, in the present embodiment, in order to increase the content of the conductive metal in the first portion PA1, the porosity in the first portion PA1 is lowered. In other words, it can be said that the porosity in the first portion PA1 is lower than the porosity in the second portion PA2.

また、本実施形態では、表層領域SPの厚さ(すなわち、第1の部分PA1および第2の部分PA2の厚さ)Txは、基板層220の厚さTaの25%以下となっている。そのため、基板層220全体に占める第1の部分PA1の割合は比較的小さくなっている。なお、本実施形態では、基板層220における表層領域SP以外の領域の構成(導電性金属の含有率や気孔率)は、第2の部分PA2の構成と略同一となっている。また、活性層210の気孔率は、基板層220のいずれの部分の気孔率よりも低くなっている。そのため、本実施形態では、基板層220の厚さTaは、燃料極116における集電部材対向面S1から、気孔率が第1の部分PA1の気孔率をはじめて下回る位置までの厚さであると言える。 Further, in the present embodiment, the thickness Tx of the surface layer region SP (that is, the thickness of the first portion PA1 and the second portion PA2) is 25% or less of the thickness Ta of the substrate layer 220. Therefore, the ratio of the first partial PA1 to the entire substrate layer 220 is relatively small. In the present embodiment, the configuration (conducting metal content and porosity) of the region other than the surface layer region SP in the substrate layer 220 is substantially the same as the configuration of the second partial PA2. Further, the porosity of the active layer 210 is lower than the porosity of any portion of the substrate layer 220. Therefore, in the present embodiment, the thickness Ta of the substrate layer 220 is the thickness from the current collector facing surface S1 at the fuel electrode 116 to the position where the porosity is lower than the porosity of the first portion PA1 for the first time. I can say.

また、本実施形態では、第1の部分PA1における導電性金属の含有率は30(vol%)以上であり、かつ、第1の部分PA1における酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率は30(vol%)以上である。また、第2の部分PA2における酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率は30(vol%)以上であり、かつ、第2の部分PA2における気孔率は30(vol%)以上である。 Further, in the present embodiment, the content of the conductive metal in the first portion PA1 is 30 (vol%) or more, and the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the first portion PA1 is 30 (vol%). vol%) or more. Further, the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the second partial PA2 is 30 (vol%) or more, and the porosity in the second partial PA2 is 30 (vol%) or more.

A−4.燃料電池スタック100の製造方法:
上述した構成の燃料電池スタック100の製造方法は、例えば、以下の通りである。はじめに、単セル110を作製する。単セル110の作製方法は、例えば、以下の通りである。
A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
The method for manufacturing the fuel cell stack 100 having the above-described configuration is, for example, as follows. First, a single cell 110 is produced. The method for producing the single cell 110 is, for example, as follows.

(燃料極基板層用グリーンシートの作製)
NiO粉末(50重量部)とYSZ粉末(50重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して15重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さの燃料極基板層用グリーンシートを複数作製する。なお、燃料極基板層用グリーンシートのNiO粉末とYSZ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばNiO粉末:YSZ粉末が60:40や40:60であっても構わない。つまり、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末が100重量部となるように、NiO粉末は40〜60重量部の間で適宜変更でき、残りをYSZ粉末とすることができる。
(Preparation of green sheet for fuel electrode substrate layer)
With respect to the mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (50 parts by weight) and YSZ powder (50 parts by weight), organic beads (15% by weight with respect to the mixed powder) which are pore-forming materials, and butyral resin , DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene + ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. Organic beads are, for example, spherical particles formed of a polymer such as polymethyl methacrylate or polystyrene. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a plurality of green sheets for a fuel electrode substrate layer having a predetermined thickness. The ratio of NiO powder and YSZ powder in the green sheet for the fuel electrode substrate layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 60:40 or 40:60. I do not care. That is, the NiO powder can be appropriately changed between 40 and 60 parts by weight so that the mixed powder of the NiO powder and the YSZ powder is 100 parts by weight, and the rest can be the YSZ powder.

作製した複数の燃料極基板層用グリーンシートの内、上述した基板層220における表層領域SPに対応する燃料極基板層用グリーンシートの表面に、集電部材凸部410の配置に対応するパターンのマスク(焼成による収縮を考慮したもの)を用いて、上述した第1の部分PA1に対応する領域に低粘度のNiOをスプレーまたは印刷により塗布する。低粘度のNiOの塗布後、所定の時間放置することにより、対象の燃料極基板層用グリーンシートの内部にNiOが含浸する。これにより、表層領域SPに対応する燃料極基板層用グリーンシートにおける第1の部分PA1に対応する領域のNiOの含有率を高めることができる。例えば、4枚の燃料極基板層用グリーンシートの内の1枚を対象として低粘度のNiOの塗布が実行された場合には、その後に後述のように燃料極基板層用グリーンシートを用いて基板層220を作製すると、基板層220に基板層220の厚さTaの25%の厚さTxの第1の部分PA1が形成されることになる。 Among the plurality of produced green sheets for the fuel electrode substrate layer, a pattern corresponding to the arrangement of the convex portion 410 of the current collector member is formed on the surface of the green sheet for the fuel electrode substrate layer corresponding to the surface layer region SP in the substrate layer 220 described above. Using a mask (considering shrinkage due to firing), low-viscosity NiO is applied by spraying or printing to the region corresponding to the first portion PA1 described above. After applying the low-viscosity NiO, the inside of the target fuel electrode substrate layer green sheet is impregnated with NiO by leaving it for a predetermined time. As a result, the content of NiO in the region corresponding to the first portion PA1 in the fuel electrode substrate layer green sheet corresponding to the surface layer region SP can be increased. For example, when low-viscosity NiO is applied to one of the four green sheets for the fuel electrode substrate layer, then the green sheet for the fuel electrode substrate layer is used as described later. When the substrate layer 220 is produced, the first portion PA1 having a thickness Tx of 25% of the thickness Ta of the substrate layer 220 is formed on the substrate layer 220.

(燃料極活性層用グリーンシートの作製)
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば、10μm〜30μm)の燃料極活性層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極活性層用グリーンシートのNiO粉末とYSZ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばNiO粉末:YSZ粉末が50:50や40:60であっても構わない。つまり、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末が100重量部となるように、NiO粉末は40〜60重量部の間で適宜変更でき、残りをYSZ粉末とすることができる。
(Preparation of green sheet for fuel polar active layer)
A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a toluene + ethanol mixed solvent are added to a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight). In addition, mix with a ball mill to prepare the slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a green sheet for a fuel polar active layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm to 30 μm). The ratio of NiO powder and YSZ powder in the green sheet for the fuel polar active layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 50:50 or 40:60. I do not care. That is, the NiO powder can be appropriately changed between 40 and 60 parts by weight so that the mixed powder of the NiO powder and the YSZ powder is 100 parts by weight, and the rest can be the YSZ powder.

(電解質層用グリーンシートの作製)
YSZ粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば、10μm)の電解質層用グリーンシートを作製する。
(Preparation of green sheet for electrolyte layer)
Butyral resin, plasticizer DOP, dispersant, and toluene + ethanol mixed solvent are added to YSZ powder (100 parts by weight) and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a green sheet for an electrolyte layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm).

(電解質層112と燃料極116との積層体の作製)
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて約280℃で脱脂する。さらに、約1350℃にて焼成を行うことにより、電解質層112と燃料極116(活性層210および基板層220)との積層体を得る。作製された積層体における燃料極116の基板層220には、上述した構成の第1の部分PA1および第2の部分PA2が形成されている。
(Preparation of a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116)
The green sheet for the fuel electrode substrate layer, the green sheet for the fuel electrode active layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at about 280 ° C. Further, by firing at about 1350 ° C., a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 (active layer 210 and substrate layer 220) is obtained. The substrate layer 220 of the fuel electrode 116 in the produced laminate is formed with the first portion PA1 and the second portion PA2 having the above-described configuration.

(空気極114の形成)
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成する。作成した混合液を、上記積層体における電解質層112の表面に噴霧塗布し、1100℃で焼成することによって空気極114を形成する。以上の工程により、単セル110が作製される。
(Formation of air pole 114)
A mixed solution of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared. The prepared mixed solution is spray-coated on the surface of the electrolyte layer 112 in the laminate and fired at 1100 ° C. to form an air electrode 114. A single cell 110 is produced by the above steps.

その後、残りの組み立て工程(例えば、燃料極側集電体144と単セル110(燃料極116)との接合やボルト22による締結)を行う。例えば、燃料極側集電体144と単セル110(燃料極116)との接合の際には、単セル110における燃料極116の基板層220側の表面(集電部材対向面S1)の内、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する領域(すなわち、第1の部分PA1の表面)に接合層用のペーストを印刷し、電極対向部145をペーストに押し付けた状態で所定の条件で焼成を行うことにより、燃料極側集電体144の電極対向部145と燃料極116の基板層220(第1の部分PA1)とを接合する接合層310を形成する。その他、残りの組み立て工程を行うことにより、上述した構成の燃料電池スタック100の製造が完了する。 After that, the remaining assembly steps (for example, joining the current collector 144 on the fuel electrode side and the single cell 110 (fuel electrode 116) and fastening with bolts 22) are performed. For example, when joining the fuel electrode side current collector 144 and the single cell 110 (fuel electrode 116), the inside of the surface (current collector facing surface S1) of the fuel electrode 116 on the substrate layer 220 side of the single cell 110. , The paste for the bonding layer is printed on the region of the fuel electrode side current collector 144 facing the electrode facing portion 145 (that is, the surface of the first portion PA1), and the electrode facing portion 145 is pressed against the paste. By firing under the conditions of (1), a bonding layer 310 for joining the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 and the substrate layer 220 (first portion PA1) of the fuel electrode 116 is formed. In addition, by performing the remaining assembly steps, the production of the fuel cell stack 100 having the above-described configuration is completed.

A−5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態における単セル110と燃料極側集電部材400(燃料極側集電体144、接合層310、インターコネクタ150)とから構成される集電部材−単セル複合体107では、燃料極116(の基板層220)が第1の部分PA1と第2の部分PA2とを有する。第1の部分PA1は、Z方向視で集電部材凸部410(電極対向部145と接合層310との集合体)と重なる凸部重複領域AR1における集電部材対向面S1(燃料極116における燃料極側集電体144に対向する側の表面)を含む部分である。また、第2の部分PA2は、Z方向に直交する方向(面方向)において第1の部分PA1の隣に位置すると共に、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない部分である。第1の部分PA1は、第2の部分PA2より導電性金属(Ni)の含有率(vol%)が高い。また、第1の部分PA1のZ方向における厚さTxは、燃料極116の基板層220の厚さTaの25%以下である。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116と集電部材凸部410との界面付近において、燃料極116に含まれる導電性金属と集電部材凸部410に含まれる導電性金属との接触面積を増やすことができ、その結果、燃料極116と集電部材凸部410との間で導電性金属の拡散が促進されて燃料極116と集電部材凸部410とが強固に接合される。そのため、本実施形態における集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができる。
A-5. Effect of this embodiment:
As described above, the current collector-single cell composite composed of the single cell 110 and the fuel pole side current collector 400 (fuel pole side current collector 144, junction layer 310, interconnector 150) in the present embodiment. In body 107, the fuel pole 116 (the substrate layer 220 of the substrate layer 220) has a first portion PA1 and a second portion PA2. The first portion PA1 is a current collector facing surface S1 (at the fuel electrode 116) in the convex overlapping region AR1 that overlaps the current collecting member convex portion 410 (aggregate of the electrode facing portion 145 and the bonding layer 310) in the Z direction. It is a portion including a surface on the side facing the current collector 144 on the fuel electrode side). The second portion PA2 is located next to the first portion PA1 in the direction orthogonal to the Z direction (plane direction), and is a portion that does not overlap the current collecting member convex portion 410 in the Z direction. The first portion PA1 has a higher content (vol%) of the conductive metal (Ni) than the second portion PA2. Further, the thickness Tx of the first portion PA1 in the Z direction is 25% or less of the thickness Ta of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116. Therefore, in the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the conductive metal contained in the fuel pole 116 and the current collector convex portion 410 are formed near the interface between the fuel pole 116 and the current collector convex portion 410. The contact area with the contained conductive metal can be increased, and as a result, the diffusion of the conductive metal between the fuel electrode 116 and the current collector convex portion 410 is promoted, and the fuel electrode 116 and the current collector convex portion 410 are promoted. It is firmly joined to 410. Therefore, according to the current collector-single cell composite 107 in the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collector member.

なお、例えば、燃料極116の基板層220の表層領域SP全体を対象として、導電性金属の含有率を高めることによっても、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができる。しかし、このような構成では、基板層220の表層領域SP全体について気孔率が低くなるため、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性が低下し、発電性能が低下するおそれがある。これに対し、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、基板層220の表層領域SPの内、Z方向視で集電部材凸部410と重なる第1の部分PA1のみについて導電性金属の含有率が高められており、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない第2の部分PA2については気孔率が高い状態に維持されているため、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができる。 In addition, for example, by increasing the content of the conductive metal in the entire surface layer region SP of the substrate layer 220 of the fuel pole 116, peeling between the fuel pole 116 and the convex portion 410 of the current collector member may occur. It can be suppressed. However, in such a configuration, since the porosity of the entire surface layer region SP of the substrate layer 220 is low, the diffusivity of the fuel gas FG at the fuel electrode 116 is lowered, and the power generation performance may be lowered. On the other hand, in the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, only the first portion PA1 of the surface layer region SP of the substrate layer 220 that overlaps the current collector convex portion 410 in the Z direction is conductive. Since the metal content is increased and the porosity of the second portion PA2 that does not overlap with the current collector convex portion 410 in the Z direction is maintained in a high state, the fuel gas FG at the fuel electrode 116 While suppressing the decrease in diffusivity, it is possible to suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collector member.

また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116の基板層220における第1の部分PA1の厚さTxが、基板層220の厚さTaの25%以下とされている。そのため、基板層220におけるZ方向視で集電部材凸部410と重なる凸部重複領域AR1においても、第1の部分PA1を除く大半の部分は気孔率が高い状態に維持されている。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を効果的に抑制しつつ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を効果的に抑制することができる。 Further, in the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the thickness Tx of the first portion PA1 in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is set to 25% or less of the thickness Ta of the substrate layer 220. There is. Therefore, even in the convex overlap region AR1 that overlaps the current collecting member convex 410 in the Z direction of the substrate layer 220, most of the portions except the first portion PA1 are maintained in a high porosity. Therefore, according to the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the fuel pole 116 and the current collector convex portion 410 are combined with each other while effectively suppressing the decrease in diffusivity of the fuel gas FG at the fuel pole 116. The occurrence of peeling between the two can be effectively suppressed.

なお、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を効果的に抑制しつつ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を効果的に抑制するため、第1の部分PA1における導電性金属の含有率(vol%)と第2の部分PA2における導電性金属の含有率(vol%)との差は、5(vol%)以上、30(vol%)以下であることが好ましい。 In addition, in order to effectively suppress the decrease in diffusivity of the fuel gas FG at the fuel electrode 116 and effectively suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collecting member, the first method is used. The difference between the content of the conductive metal in the partial PA1 (vol%) and the content of the conductive metal in the second partial PA2 (vol%) is 5 (vol%) or more and 30 (vol%) or less. Is preferable.

また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116が酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZの粒子を含んでいる。また、燃料極116の基板層220における第1の部分PA1は、導電性金属(Ni)の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率が30(vol%)以上である。また、燃料極116の基板層220における第2の部分PA2は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、気孔率が30(vol%)以上である。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116の基板層220における第1の部分PA1および第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率をある程度高く保つことによって、燃料極116の強度を確保することができる。また、燃料極116の基板層220における第1の部分PA1の導電性金属の含有率をある程度高く保つことによって、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができると共に、燃料極116の基板層220における第2の部分PA2の気孔率をある程度高く保つことによって、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制することができる。 Further, in the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the fuel electrode 116 contains YSZ particles which are oxide ion conductive ceramics. Further, the first portion PA1 in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 has a conductive metal (Ni) content of 30 (vol%) or more and contains oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles. The rate is 30 (vol%) or more. Further, the second portion PA2 in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 has a content of oxide ion conductive ceramic particles of 30 (vol%) or more and a porosity of 30 (vol%) or more. .. Therefore, in the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the first portion PA1 and the second portion PA2 in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is increased to some extent. By keeping it, the strength of the fuel electrode 116 can be ensured. Further, by keeping the content of the conductive metal of the first portion PA1 in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 high to some extent, it is possible to suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collecting member. At the same time, by keeping the porosity of the second portion PA2 in the substrate layer 220 of the fuel pole 116 high to some extent, it is possible to suppress a decrease in the diffusivity of the fuel gas FG in the fuel pole 116.

また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極側集電部材400が、集電部材凸部410における一部分を構成する電極対向部145(集電体本体)と、電極対向部145と燃料極116の集電部材対向面S1との間に介在し、各集電部材凸部410における燃料極116の集電部材対向面S1に接する部分を構成する接合層310とを備える。また、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における導電性金属と接合層310とは、同一の金属元素(Ni)を含む。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極116の基板層220における第1の部分PA1と接合層310との接合性を高めることができ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を効果的に抑制することができる。 Further, in the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the fuel electrode side current collector 400 has an electrode facing portion 145 (current collector main body) forming a part of the current collector convex portion 410 and an electrode. A joint layer 310 that is interposed between the facing portion 145 and the current collecting member facing surface S1 of the fuel pole 116 and constitutes a portion of each current collecting member convex portion 410 that is in contact with the current collecting member facing surface S1 of the fuel pole 116. Be prepared. Further, the conductive metal and the bonding layer 310 in the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 contain the same metal element (Ni). Therefore, according to the current collector-single cell composite 107 of the present embodiment, the bondability between the first portion PA1 and the bonding layer 310 in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 can be improved, and the fuel electrode 116 and the fuel electrode 116 The occurrence of peeling from the convex portion 410 of the current collecting member can be effectively suppressed.

A−6.性能評価:
燃料極116の基板層220の構成が互いに異なる複数の集電部材−単セル複合体107のサンプルを作成し、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生のしにくさ(耐剥離性)、および、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性(ガス拡散性)について、性能評価を行った。図7〜図10は、性能評価結果を示す説明図である。
A-6. Performance evaluation:
Samples of a plurality of current collector-single cell composites 107 having different configurations of the substrate layer 220 of the fuel pole 116 are prepared, and it is difficult for peeling to occur between the fuel pole 116 and the convex portion 410 of the current collector. Performance evaluation was performed on (peeling resistance) and the diffusibility (gas diffusivity) of the fuel gas FG at the fuel electrode 116. 7 to 10 are explanatory views showing the performance evaluation results.

性能評価では、耐剥離性の評価指標として、集電部材−単セル複合体107から単セル110を引き剥がす際に、接合層310が単セル110(の燃料極116)との界面で剥がれる割合(サンプル10個あたり)を調べた。この割合が高いほど、耐剥離性が高いと言える。また、ガス拡散性の評価指標として、ボタンセルの初期電圧(温度:700℃、電流密度:0.55A/cm、供給する酸化剤ガスOG:酸素50ml/minおよび窒素200ml/min、供給する燃料ガスFG:水素320ml/min、露点温度30℃)を調べた。初期電圧値が高いほど、ガス拡散性が高いと言える。 In the performance evaluation, as an evaluation index of peeling resistance, the rate at which the bonding layer 310 is peeled off at the interface with the single cell 110 (fuel electrode 116) when the single cell 110 is peeled off from the current collector-single cell composite 107. (Per 10 samples) was examined. It can be said that the higher this ratio is, the higher the peel resistance is. In addition, as an evaluation index of gas diffusivity, the initial voltage of the button cell (temperature: 700 ° C., current density: 0.55 A / cm 2 , oxidant gas OG to be supplied: oxygen 50 ml / min and nitrogen 200 ml / min, supplied. Fuel gas FG: hydrogen 320 ml / min, dew point temperature 30 ° C.) was examined. It can be said that the higher the initial voltage value, the higher the gas diffusibility.

(第1の性能評価)
図7に示す第1の性能評価に用いられた各サンプル(比較例1,2および実施例1)は、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1および第2の部分PA2の組成が互いに異なる。具体的には、実施例1では、第1の部分PA1における導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ50、30、20(vol%)であり、第2の部分PA2における同様の含有率は、それぞれ40、30、30(vol%)である。このように、実施例1では、第1の部分PA1は第2の部分PA2と比較して、導電性金属の含有率が高く、その分、気孔率が低い。なお、実施例1では、第1の部分PA1の厚さTxは8μmであり、これは、基板層220の厚さTa(=800μm)の1%に相当する。
(First performance evaluation)
Each sample (Comparative Examples 1 and 2 and Example 1) used for the first performance evaluation shown in FIG. 7 has the composition of the first portion PA1 and the second portion PA2 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116. Different from each other. Specifically, in Example 1, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity in the first portion PA1 are 50, 30, and 20, respectively. (Vol%), and similar contents in the second partial PA2 are 40, 30, 30 (vol%), respectively. As described above, in the first embodiment, the first portion PA1 has a higher content of the conductive metal than the second portion PA2, and the porosity is correspondingly lower. In Example 1, the thickness Tx of the first portion PA1 is 8 μm, which corresponds to 1% of the thickness Ta (= 800 μm) of the substrate layer 220.

一方、比較例1,2では、燃料極116の基板層220の組成が、基板層220の全体にわたって一様となっている。具体的には、比較例1では、基板層220の全体にわたって、導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ40、30、30(vol%)であり、比較例2では、基板層220の全体にわたって、含有率は、それぞれ50、30、20(vol%)である。なお、図7では、便宜上、比較例1,2についても第1の部分PA1と第2の部分PA2とに分けて基板層220の組成が記載されているが、実際には、上述したように、基板層220の組成は全体にわたって一様となっている。図8以降についても同様である。 On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, the composition of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is uniform throughout the substrate layer 220. Specifically, in Comparative Example 1, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity were 40 and 30, respectively, over the entire substrate layer 220. It is 30 (vol%), and in Comparative Example 2, the contents are 50, 30, and 20 (vol%), respectively, over the entire substrate layer 220. In FIG. 7, for convenience, the composition of the substrate layer 220 is described separately for the first partial PA1 and the second partial PA2 in Comparative Examples 1 and 2, but in reality, as described above. , The composition of the substrate layer 220 is uniform throughout. The same applies to FIGS. 8 and later.

図7に示すように、比較例1の耐剥離性およびガス拡散性を基準値とした場合、比較例2では、耐剥離性が基準値から25%向上したものの、ガス拡散性が基準値から5.5%低下した。比較例2では、燃料極116の基板層220の全体にわたって導電性金属の含有率が高いため、耐剥離性が向上した一方、燃料極116の基板層220の全体にわたって気孔率が低いため、ガス拡散性が大きく低下したものと考えられる。性能評価では、ガス拡散性の基準値からの低下率が0.1%以上である場合に不合格と判定するものとしたため、比較例2は不合格と判定された。 As shown in FIG. 7, when the peel resistance and gas diffusivity of Comparative Example 1 are used as the reference values, in Comparative Example 2, the peel resistance is improved by 25% from the reference value, but the gas diffusivity is higher than the reference value. It decreased by 5.5%. In Comparative Example 2, since the content of the conductive metal is high throughout the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, the peeling resistance is improved, while the porosity is low throughout the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, so that the gas. It is probable that the diffusivity was greatly reduced. In the performance evaluation, it was determined that the gas diffusivity was rejected when the rate of decrease from the reference value was 0.1% or more. Therefore, Comparative Example 2 was determined to be rejected.

これに対し、実施例1では、耐剥離性が基準値から25%向上し、かつ、ガス拡散性の基準値からの低下率は0.01%とわずかであった。実施例1では、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における導電性金属の含有率が高いため、耐剥離性が向上し、かつ、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における気孔率は低いものの、基板層220における大半の部分、すなわち、第2の部分PA2やその他の部分(基板層220における表層領域SP以外の部分)の気孔率は比較例1と同程度であり、燃料極116の基板層220全体としての燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制できたためであると考えられる。実施例1では、ガス拡散性の基準値からの低下率が0.1%未満であるため、合格と判定された。 On the other hand, in Example 1, the peeling resistance was improved by 25% from the standard value, and the rate of decrease from the standard value of gas diffusivity was as small as 0.01%. In the first embodiment, since the content of the conductive metal in the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is high, the peeling resistance is improved and the first portion of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is improved. Although the pore ratio in PA1 is low, the pore ratio of most of the substrate layer 220, that is, the second portion PA2 and other portions (parts other than the surface layer region SP in the substrate layer 220) is about the same as in Comparative Example 1. It is considered that this is because the decrease in the diffusibility of the fuel gas FG as the entire substrate layer 220 of the fuel electrode 116 could be suppressed. In Example 1, since the rate of decrease from the reference value of gas diffusivity was less than 0.1%, it was judged to be acceptable.

図7に示す第1の性能評価結果から、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1が第2の部分PA2より導電性金属の含有率が高く、かつ、第1の部分PA1の厚さTxが基板層220の厚さの25%以下であると、燃料極116の基板層220全体としての燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができると言える。また、第1の部分PA1は、導電性金属の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であることが好ましく、第2の部分PA2は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、気孔率が30(vol%)以上であることが好ましいと言える。 From the results of the first performance evaluation shown in FIG. 7, the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 has a higher content of conductive metal than the second portion PA2, and the thickness of the first portion PA1 is higher. When Tx is 25% or less of the thickness of the substrate layer 220, the fuel electrode 116 and the current collecting member convex portion 410 are suppressed while suppressing a decrease in the diffusibility of the fuel gas FG as the entire substrate layer 220 of the fuel electrode 116. It can be said that the occurrence of peeling between the two can be suppressed. Further, the first portion PA1 preferably has a conductive metal content of 30 (vol%) or more and an oxide ion conductive ceramic particles content of 30 (vol%) or more. It can be said that it is preferable that the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the second portion PA2 is 30 (vol%) or more and the porosity is 30 (vol%) or more.

(第2の性能評価)
図8に示す第2の性能評価に用いられた各サンプル(比較例1,3および実施例2)は、上述した第1の性能評価と同様に、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1および第2の部分PA2の組成が互いに異なる。具体的には、実施例2では、第1の部分PA1における導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ40、30、30(vol%)であり、第2の部分PA2における同様の含有率は、それぞれ30、30、40(vol%)である。このように、実施例2では、第1の部分PA1は第2の部分PA2と比較して、導電性金属の含有率が高く、その分、気孔率が低い。なお、実施例2では、第1の部分PA1の厚さTxが8μmであり、これは、基板層220の厚さTa(=800μm)の1%に相当する。
(Second performance evaluation)
Each sample (Comparative Examples 1 and 3 and Example 2) used for the second performance evaluation shown in FIG. 8 is the first of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, similarly to the first performance evaluation described above. The compositions of the partial PA1 and the second partial PA2 are different from each other. Specifically, in Example 2, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity in the first portion PA1 are 40, 30, and 30, respectively. (Vol%), and similar contents in the second partial PA2 are 30, 30, 40 (vol%), respectively. As described above, in the second embodiment, the first portion PA1 has a higher content of the conductive metal than the second portion PA2, and the porosity is correspondingly lower. In Example 2, the thickness Tx of the first portion PA1 is 8 μm, which corresponds to 1% of the thickness Ta (= 800 μm) of the substrate layer 220.

一方、比較例3では、燃料極116の基板層220の組成が、基板層220の全体にわたって一様となっている。具体的には、比較例3では、基板層220の全体にわたって、導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ30、30、40(vol%)である。なお、比較例1は、上述した第1の性能評価における比較例1と同一である。 On the other hand, in Comparative Example 3, the composition of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is uniform throughout the substrate layer 220. Specifically, in Comparative Example 3, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity were 30, 30, respectively, over the entire substrate layer 220. It is 40 (vol%). Comparative Example 1 is the same as Comparative Example 1 in the above-mentioned first performance evaluation.

図8に示すように、比較例3の耐剥離性およびガス拡散性を基準値とした場合、比較例1では、耐剥離性が基準値から33%向上したものの、ガス拡散性が基準値から1.03%低下した。比較例1では、燃料極116の基板層220の全体にわたって導電性金属の含有率が高いため、耐剥離性が向上した一方、燃料極116の基板層220の全体にわたって気孔率が低いため、ガス拡散性が大きく低下したものと考えられる。比較例1では、ガス拡散性の基準値からの低下率が0.1%以上であるため、不合格と判定された。 As shown in FIG. 8, when the peel resistance and gas diffusivity of Comparative Example 3 are used as the reference values, in Comparative Example 1, the peel resistance is improved by 33% from the reference value, but the gas diffusivity is higher than the reference value. It decreased by 1.03%. In Comparative Example 1, since the content of the conductive metal is high throughout the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, the peeling resistance is improved, while the porosity is low throughout the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, so that the gas. It is probable that the diffusivity was greatly reduced. In Comparative Example 1, since the rate of decrease from the reference value of gas diffusivity was 0.1% or more, it was determined to be unacceptable.

これに対し、実施例2では、耐剥離性が基準値から33%向上し、かつ、ガス拡散性の基準値からの低下率は0.01%とわずかであった。実施例2では、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における導電性金属の含有率が高いため、耐剥離性が向上し、かつ、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における気孔率は低いものの、基板層220における大半の部分、すなわち、第2の部分PA2やその他の部分(基板層220における表層領域SP以外の部分)の気孔率は比較例3と同程度であり、燃料極116の基板層220全体としての燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制できたためであると考えられる。実施例2では、ガス拡散性の基準値からの低下率が0.1%未満であるため、合格と判定された。 On the other hand, in Example 2, the peeling resistance was improved by 33% from the standard value, and the rate of decrease from the standard value of gas diffusivity was as small as 0.01%. In the second embodiment, since the content of the conductive metal in the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is high, the peeling resistance is improved and the first portion of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is improved. Although the pore ratio in PA1 is low, the pore ratio of most of the substrate layer 220, that is, the second portion PA2 and other portions (parts other than the surface layer region SP in the substrate layer 220) is about the same as in Comparative Example 3. It is considered that this is because the decrease in the diffusibility of the fuel gas FG as the entire substrate layer 220 of the fuel electrode 116 could be suppressed. In Example 2, since the rate of decrease from the reference value of gas diffusivity was less than 0.1%, it was judged to be acceptable.

図8に示す第2の性能評価結果から、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1が第2の部分PA2より導電性金属の含有率が高く、かつ、第1の部分PA1の厚さTxが基板層220の厚さの25%以下であると、燃料極116の基板層220全体としての燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができると言える。また、第1の部分PA1は、導電性金属の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であることが好ましく、第2の部分PA2は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、気孔率が30(vol%)以上であることが好ましいと言える。 From the second performance evaluation result shown in FIG. 8, the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 has a higher content of conductive metal than the second portion PA2, and the thickness of the first portion PA1 is higher. When Tx is 25% or less of the thickness of the substrate layer 220, the fuel electrode 116 and the current collecting member convex portion 410 are suppressed while suppressing a decrease in the diffusibility of the fuel gas FG as the entire substrate layer 220 of the fuel electrode 116. It can be said that the occurrence of peeling between the two can be suppressed. Further, the first portion PA1 preferably has a conductive metal content of 30 (vol%) or more and an oxide ion conductive ceramic particles content of 30 (vol%) or more. It can be said that it is preferable that the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the second portion PA2 is 30 (vol%) or more and the porosity is 30 (vol%) or more.

(第3の性能評価)
図9に示す第3の性能評価に用いられた各サンプル(比較例3,4および実施例3,4)は、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1および第2の部分PA2の組成と、第1の部分PA1の厚さTxとが互いに異なる。具体的には、実施例3,4では、第1の部分PA1における導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ30、30、40(vol%)であり、第2の部分PA2における同様の含有率は、それぞれ20、30、50(vol%)である。このように、実施例3,4では、第1の部分PA1は第2の部分PA2より導電性金属(Ni)の含有率が高く、その分、気孔率が低い。
(Third performance evaluation)
Each sample (Comparative Examples 3 and 4 and Examples 3 and 4) used for the third performance evaluation shown in FIG. 9 is of the first partial PA1 and the second partial PA2 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116. The composition and the thickness Tx of the first portion PA1 are different from each other. Specifically, in Examples 3 and 4, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity in the first portion PA1 are 30, 30, respectively. , 40 (vol%), and similar contents in the second portion PA2 are 20, 30, 50 (vol%), respectively. As described above, in Examples 3 and 4, the first portion PA1 has a higher content of the conductive metal (Ni) than the second portion PA2, and the porosity is correspondingly lower.

また、実施例3では、第1の部分PA1の厚さTxが8μmであり、これは、基板層220の厚さTa(=800μm)の1%に相当する。また、実施例4では、第1の部分PA1の厚さTxが200μmであり、これは、基板層220の厚さTa(=800μm)の25%に相当する。 Further, in Example 3, the thickness Tx of the first portion PA1 is 8 μm, which corresponds to 1% of the thickness Ta (= 800 μm) of the substrate layer 220. Further, in Example 4, the thickness Tx of the first portion PA1 is 200 μm, which corresponds to 25% of the thickness Ta (= 800 μm) of the substrate layer 220.

一方、比較例4では、燃料極116の基板層220の組成が、基板層220の全体にわたって一様となっている。具体的には、比較例4では、基板層220の全体にわたって、導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ20、30、50(vol%)である。なお、比較例3は、上述した第2の性能評価における比較例3と同一である。 On the other hand, in Comparative Example 4, the composition of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is uniform throughout the substrate layer 220. Specifically, in Comparative Example 4, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity were 20, 30, respectively, over the entire substrate layer 220. It is 50 (vol%). Comparative Example 3 is the same as Comparative Example 3 in the above-mentioned second performance evaluation.

図9に示すように、比較例4の耐剥離性およびガス拡散性を基準値とした場合、比較例3では、耐剥離性が基準値から50%向上したものの、ガス拡散性が基準値から0.72%低下した。比較例3では、燃料極116の基板層220の全体にわたって導電性金属の含有率が高いため、耐剥離性が向上した一方、燃料極116の基板層220の全体にわたって気孔率が低いため、ガス拡散性が大きく低下したものと考えられる。比較例3では、ガス拡散性の基準値からの低下率が0.1%以上であるため、不合格と判定された。 As shown in FIG. 9, when the peel resistance and gas diffusivity of Comparative Example 4 are used as the reference values, in Comparative Example 3, the peel resistance is improved by 50% from the reference value, but the gas diffusivity is higher than the reference value. It decreased by 0.72%. In Comparative Example 3, since the content of the conductive metal is high throughout the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, the peeling resistance is improved, while the porosity is low throughout the substrate layer 220 of the fuel electrode 116, so that the gas. It is probable that the diffusivity was greatly reduced. In Comparative Example 3, since the rate of decrease from the reference value of gas diffusivity was 0.1% or more, it was determined to be unacceptable.

これに対し、実施例3では、耐剥離性が基準値から50%向上し、かつ、ガス拡散性は基準値とほぼ同等であった。また、実施例4では、耐剥離性が基準値から50%向上し、かつ、ガス拡散性の基準値からの低下率は0.09%とわずかであった。実施例3,4では、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における導電性金属の含有率が高いため、耐剥離性が向上し、かつ、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1における気孔率は低いものの、基板層220における大半の部分、すなわち、第2の部分PA2やその他の部分(基板層220における表層領域SP以外の部分)の気孔率は比較例4と同程度であり、燃料極116の基板層220全体としての燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制できたためであると考えられる。実施例3,4では、ガス拡散性の基準値からの低下率が0.1%未満であるため、合格と判定された。 On the other hand, in Example 3, the peel resistance was improved by 50% from the reference value, and the gas diffusibility was almost the same as the reference value. Further, in Example 4, the peel resistance was improved by 50% from the standard value, and the rate of decrease from the standard value of gas diffusivity was as small as 0.09%. In Examples 3 and 4, since the content of the conductive metal in the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is high, the peeling resistance is improved and the first portion of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is improved. Although the pore ratio in the partial PA1 is low, the pore ratio of most of the substrate layer 220, that is, the second portion PA2 and other portions (parts other than the surface layer region SP in the substrate layer 220) is the same as in Comparative Example 4. It is considered that this is because the decrease in diffusivity of the fuel gas FG as a whole of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 could be suppressed. In Examples 3 and 4, since the rate of decrease from the reference value of gas diffusivity was less than 0.1%, it was judged to be acceptable.

図9に示す第3の性能評価結果から、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1が第2の部分PA2より導電性金属の含有率が高く、かつ、第1の部分PA1の厚さTxが基板層220の厚さの25%以下であると、燃料極116の基板層220全体としての燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができると言える。また、第1の部分PA1は、導電性金属の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であることが好ましく、第2の部分PA2は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、気孔率が30(vol%)以上であることが好ましいと言える。 From the third performance evaluation result shown in FIG. 9, the first portion PA1 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 has a higher content of conductive metal than the second portion PA2, and the thickness of the first portion PA1 is higher. When Tx is 25% or less of the thickness of the substrate layer 220, the fuel electrode 116 and the current collecting member convex portion 410 are suppressed while suppressing a decrease in the diffusibility of the fuel gas FG as the entire substrate layer 220 of the fuel electrode 116. It can be said that the occurrence of peeling between the two can be suppressed. Further, the first portion PA1 preferably has a conductive metal content of 30 (vol%) or more and an oxide ion conductive ceramic particles content of 30 (vol%) or more. It can be said that it is preferable that the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the second portion PA2 is 30 (vol%) or more and the porosity is 30 (vol%) or more.

また、比較例4では、燃料極116の基板層220における導電性金属の含有率が20(vol%)とかなり低いため、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離がかなり発生しやすかった。このことからも、燃料極116の基板層220(の第1の部分PA1)における導電性金属の含有率は30(vol%)以上であることが好ましいと言える。 Further, in Comparative Example 4, since the content of the conductive metal in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is as low as 20 (vol%), the peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collector member occurs considerably. It was easy. From this, it can be said that the content of the conductive metal in the substrate layer 220 (first portion PA1) of the fuel electrode 116 is preferably 30 (vol%) or more.

(第4の性能評価)
図10に示す第4の性能評価に用いられた各サンプル(比較例5,6)は、燃料極116の基板層220の第1の部分PA1および第2の部分PA2の組成が互いに異なる。具体的には、比較例5では、第1の部分PA1における導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ30、20、50(vol%)であり、第2の部分PA2における同様の含有率は、それぞれ20、20、60(vol%)である。また、比較例6では、第1の部分PA1における導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率は、それぞれ40、20、40(vol%)であり、第2の部分PA2における同様の含有率は、それぞれ30、20、50(vol%)である。このように、比較例5,6では、第1の部分PA1は第2の部分PA2より導電性金属の含有率が高く、その分、気孔率が低い。
(Fourth performance evaluation)
Each sample (Comparative Examples 5 and 6) used for the fourth performance evaluation shown in FIG. 10 has different compositions of the first partial PA1 and the second partial PA2 of the substrate layer 220 of the fuel electrode 116. Specifically, in Comparative Example 5, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity in the first portion PA1 are 30, 20, and 50, respectively. (Vol%), and similar contents in the second partial PA2 are 20, 20, 60 (vol%), respectively. Further, in Comparative Example 6, the content of the conductive metal (Ni), the content of the oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles, and the porosity in the first portion PA1 were 40, 20, and 40 (vol%, respectively). ), And similar contents in the second partial PA2 are 30, 20, 50 (vol%), respectively. As described above, in Comparative Examples 5 and 6, the first portion PA1 has a higher content of the conductive metal than the second portion PA2, and the porosity is correspondingly lower.

図10に示すように、比較例5,6では、単セル110に割れが発生したため、耐剥離性およびガス拡散性の評価を行うことができなかった。比較例5,6では、燃料極116の基板層220における酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が20(vol%)とかなり低いため、燃料極116の強度を確保することができず、単セル110に割れが発生したものと考えられる。 As shown in FIG. 10, in Comparative Examples 5 and 6, the single cell 110 was cracked, so that the peel resistance and the gas diffusibility could not be evaluated. In Comparative Examples 5 and 6, since the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the substrate layer 220 of the fuel electrode 116 is as low as 20 (vol%), the strength of the fuel electrode 116 cannot be ensured, and simply. It is probable that the cell 110 was cracked.

図10に示す第4の性能評価結果から、第1の部分PA1および第2の部分PA2における酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率は30(vol%)以上であることが好ましいと言える。 From the fourth performance evaluation result shown in FIG. 10, it can be said that the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the first portion PA1 and the second portion PA2 is preferably 30 (vol%) or more.

A−7.燃料極116の分析方法:
燃料極116の分析方法は、例えば、以下の通りである。
A-7. Analysis method of fuel pole 116:
The analysis method of the fuel electrode 116 is as follows, for example.

(導電性金属および酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率の特定方法)
燃料極116の各位置(各領域)における導電性金属や酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率は、以下の方法により特定される。面方向に直交する単セル110の断面を設定し、該断面における上記含有率を特定すべき位置(領域)で、FIB−SEM(加速電圧1.5kV)による元素マッピング画像(例えば5000倍)を得る。得られた画像における上記位置(領域)で、対応する元素の面積割合を算出することにより、導電性金属や酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率を特定する。
(Method of specifying the content of conductive metal and oxide ion conductive ceramic particles)
The content of the conductive metal and the oxide ion conductive ceramic particles at each position (each region) of the fuel electrode 116 is specified by the following method. A cross section of a single cell 110 orthogonal to the plane direction is set, and an element mapping image (for example, 5000 times) by FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) is displayed at a position (region) in the cross section where the content ratio should be specified. obtain. By calculating the area ratio of the corresponding element at the above position (region) in the obtained image, the content rate of the conductive metal or the oxide ion conductive ceramic particles is specified.

(気孔率の特定方法)
燃料極116の各位置(各領域)における気孔率は、以下の方法により特定される。上述した含有率の特定方法と同様に、FIB−SEMによるSEM画像(例えば5000倍)を得て、得られた画像における上記位置(領域)で、面方向に平行な複数の線を所定の間隔(例えば1μmから5μm間隔)で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。気孔率を特定すべき位置(領域)に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を算出することにより、当該位置(領域)における気孔率を特定する。
(Method of identifying porosity)
The porosity at each position (each region) of the fuel electrode 116 is specified by the following method. Similar to the above-mentioned method for specifying the content rate, an SEM image (for example, 5000 times) by FIB-SEM is obtained, and a plurality of lines parallel to the plane direction are arranged at predetermined intervals at the above position (region) in the obtained image. Draw at intervals (eg, 1 μm to 5 μm intervals). The length of the portion corresponding to the pore on each straight line is measured, and the ratio of the total length of the portion corresponding to the pore to the total length of the straight line is defined as the porosity on the straight line. The porosity at the position (region) is specified by calculating the average value of the porosity in a plurality of straight lines drawn at the position (region) where the porosity should be specified.

(第1の部分PA1の厚さTxの特定方法)
第1の部分PA1の厚さTxは、以下の方法により特定される。図11は、第1の部分PA1の厚さTxの特定方法を示す説明図である。図6に示すように、燃料極116の断面において、各凸部重複領域AR1を面方向において等分する仮想線L1と、各凸部非重複領域AR2を面方向において等分する仮想線L2とを設定し、各仮想線L1,L2上の各位置における導電性金属(Ni)の含有率を特定する。図11には、仮想線L1および仮想線L2上の各位置における導電性金属の含有率を示す曲線N(L1)および曲線N(L2)が示されている。
(Method of specifying the thickness Tx of the first portion PA1)
The thickness Tx of the first portion PA1 is specified by the following method. FIG. 11 is an explanatory diagram showing a method of specifying the thickness Tx of the first portion PA1. As shown in FIG. 6, in the cross section of the fuel electrode 116, the virtual line L1 that equally divides each convex overlapping region AR1 in the plane direction and the virtual line L2 that equally divides each convex non-overlapping region AR2 in the plane direction. Is set, and the content rate of the conductive metal (Ni) at each position on the virtual lines L1 and L2 is specified. FIG. 11 shows a curve N (L1) and a curve N (L2) showing the content of the conductive metal at each position on the virtual line L1 and the virtual line L2.

基板層220における凸部非重複領域AR2では、導電性金属の含有率が略一定であるため、仮想線L2上の各位置における導電性金属の含有率を示す曲線N(L2)は、集電部材対向面S1との交点P2からZ軸正方向に向けて略直線状となる。一方、基板層220における凸部重複領域AR1では、第1の部分PA1における導電性金属の含有率が比較的高いため、仮想線L1上の各位置における導電性金属の含有率を示す曲線N(L1)は、集電部材対向面S1との交点P1からZ軸正方向に向けて略直線状となり、第1の部分PA1と他の部分との境界付近において導電性金属の含有率が低下するような曲線となる。上述したように、基板層220における表層領域SP以外の領域の構成は、第2の部分PA2の構成と略同一である。そのため、凸部重複領域AR1における第1の部分PA1以外の部分の構成も、第2の部分PA2の構成と略同一であると言える。従って、曲線N(L2)における上記略直線状の部分と曲線N(L1)における上記略直線状の部分との両方から等距離にある仮想線Lmを特定し、仮想線Lmと曲線N(L1)との交点P3を特定し、Z方向における交点P1から交点P3までの距離を、第1の部分PA1の厚さTxとして特定するものとする。 Since the content of the conductive metal is substantially constant in the convex non-overlapping region AR2 in the substrate layer 220, the curve N (L2) indicating the content of the conductive metal at each position on the virtual line L2 is the current collection. It becomes a substantially straight line from the intersection P2 with the member facing surface S1 toward the Z-axis positive direction. On the other hand, in the convex overlapping region AR1 in the substrate layer 220, the content of the conductive metal in the first portion PA1 is relatively high, so that the curve N showing the content of the conductive metal at each position on the virtual line L1 ( L1) becomes substantially a straight line from the intersection P1 with the current collecting member facing surface S1 toward the Z-axis positive direction, and the content of the conductive metal decreases near the boundary between the first portion PA1 and the other portion. It becomes a curve like. As described above, the configuration of the region other than the surface layer region SP in the substrate layer 220 is substantially the same as the configuration of the second partial PA2. Therefore, it can be said that the configuration of the portion other than the first portion PA1 in the convex overlap region AR1 is substantially the same as the configuration of the second portion PA2. Therefore, the virtual line Lm at equal distances from both the substantially linear portion of the curve N (L2) and the substantially linear portion of the curve N (L1) is specified, and the virtual line Lm and the curve N (L1) are identified. ), And the distance from the intersection P1 to the intersection P3 in the Z direction is specified as the thickness Tx of the first partial PA1.

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極116が、活性層210と基板層220との2層により構成されるとしているが、燃料極116は、単層構成であってもよいし、3層以上により構成されるとしてもよい。例えば、燃料極116は、活性層210と、基板層220と、活性層210と基板層220との間に配置され、活性層210より気孔率が高く、かつ、基板層220より気孔率が低い第3の層と、を備える3層構成であるとしてもよい。 The configuration of the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the fuel pole 116 is composed of two layers of the active layer 210 and the substrate layer 220, but the fuel pole 116 may be composed of a single layer or three or more layers. It may be configured. For example, the fuel electrode 116 is arranged between the active layer 210, the substrate layer 220, and the active layer 210 and the substrate layer 220, and has a higher porosity than the active layer 210 and a lower porosity than the substrate layer 220. It may have a three-layer structure including a third layer.

また、上記実施形態では、燃料極側集電体144の電極対向部145と燃料極116の集電部材対向面S1との間に接合層310が介在しているが、接合層310が設けられず、燃料極側集電体144の電極対向部145が燃料極116の集電部材対向面S1に直接接しているとしてもよい。すなわち、集電部材凸部410が電極対向部145により構成されるとしてもよい。このような構成においても、燃料極116の第1の部分PA1における導電性金属の含有率を第2の部分PA2における導電性金属の含有率より高くすれば、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができる。なお、このような構成において、第1の部分PA1における導電性金属と電極対向部145とが同一の金属元素を含むとすれば、第1の部分PA1と電極対向部145との接合性を高めることができ、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を効果的に抑制することができるため好ましい。 Further, in the above embodiment, the bonding layer 310 is interposed between the electrode facing portion 145 of the fuel pole side current collector 144 and the current collecting member facing surface S1 of the fuel pole 116, but the bonding layer 310 is provided. Instead, the electrode facing portion 145 of the fuel pole side current collector 144 may be in direct contact with the current collecting member facing surface S1 of the fuel pole 116. That is, the convex portion 410 of the current collecting member may be composed of the electrode facing portion 145. Even in such a configuration, if the content of the conductive metal in the first portion PA1 of the fuel pole 116 is higher than the content of the conductive metal in the second portion PA2, the fuel pole 116 and the convex portion of the current collector member are formed. It is possible to suppress the occurrence of peeling between the 410 and the 410. In such a configuration, if the conductive metal in the first portion PA1 and the electrode facing portion 145 contain the same metal element, the bondability between the first portion PA1 and the electrode facing portion 145 is enhanced. This is preferable because the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collecting member can be effectively suppressed.

また、上記実施形態における燃料極側集電体144の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、燃料極側集電体144は、上記実施形態における空気極側集電体134およびインターコネクタ150の一体部材と同様の構成、すなわち、Z方向に直交する平板形の部分(インターコネクタ150)と、該平板形の部分から燃料極116に向けて突出するように形成された複数の凸部(空気極側集電体134)とを備える構成であるとしてもよい。また、このような構成において、上記平板形の部分における上記複数の凸部が形成された側とは反対側の面が、平面ではなく、凹凸が形成された面であるとしてもよい。 Further, the configuration of the fuel electrode side current collector 144 in the above embodiment is merely an example and can be changed in various ways. For example, the fuel pole side current collector 144 has the same configuration as the integrated member of the air pole side current collector 134 and the interconnector 150 in the above embodiment, that is, a flat plate-shaped portion (interconnector 150) orthogonal to the Z direction. A plurality of convex portions (current collectors 134 on the air electrode side) formed so as to project from the flat plate-shaped portion toward the fuel electrode 116 may be provided. Further, in such a configuration, the surface of the flat plate-shaped portion opposite to the side on which the plurality of convex portions are formed may not be a flat surface but a surface on which irregularities are formed.

また、上記実施形態では、燃料極116におけるすべての第1の部分PA1について、第1の部分PA1における導電性金属の含有率は、該第1の部分PA1の隣の第2の部分PA2における導電性金属の含有率より高いとしているが、必ずしもそうような構成である必要は無い。燃料極116における少なくとも1つの第1の部分PA1について、第1の部分PA1における導電性金属の含有率は、該第1の部分PA1の隣の第2の部分PA2における導電性金属の含有率より高いとすればよい。このような構成であれば、該第1の部分PA1の位置における燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を抑制することができる。なお、燃料極116と集電部材凸部410との間の剥離の発生を効果的に抑制するために、燃料極116におけるすべての第1の部分PA1の内の5割以上について、第1の部分PA1における導電性金属の含有率が、該第1の部分PA1の隣の第2の部分PA2における導電性金属の含有率より高い構成であることが好ましい。なお、燃料極116における第1の部分PA1の個数が20個以内である場合には、すべての第1の部分PA1について、上記特定方法により導電性金属等の含有率を特定するものとする。また、燃料極116における第1の部分PA1の個数が20個を超える場合には、任意の20個の第1の部分PA1について、上記特定方法により導電性金属等の含有率を特定し、特定された含有率に基づき他の第1の部分PA1の構成を推定するものとする。 Further, in the above embodiment, for all the first partial PA1s in the fuel electrode 116, the content of the conductive metal in the first partial PA1 is the conductivity in the second partial PA2 next to the first partial PA1. Although it is said that the content is higher than that of the sex metal, it does not necessarily have to be such a configuration. For at least one first portion PA1 in the fuel electrode 116, the conductivity of the conductive metal in the first portion PA1 is greater than the content of the conductive metal in the second portion PA2 next to the first portion PA1. It should be high. With such a configuration, it is possible to suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the current collecting member convex portion 410 at the position of the first portion PA1. In addition, in order to effectively suppress the occurrence of peeling between the fuel electrode 116 and the convex portion 410 of the current collector member, 50% or more of all the first partial PA1s in the fuel electrode 116 are the first. It is preferable that the content of the conductive metal in the partial PA1 is higher than the content of the conductive metal in the second partial PA2 adjacent to the first partial PA1. When the number of the first partial PA1 in the fuel electrode 116 is 20 or less, the content of the conductive metal or the like is specified for all the first partial PA1 by the above-mentioned specific method. When the number of the first partial PA1s in the fuel electrode 116 exceeds 20, the content of the conductive metal or the like is specified by the above-mentioned specific method for any 20 first partials PA1s. The composition of the other first partial PA1 shall be estimated based on the obtained content.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数は、あくまで一例であり、単セル110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。 Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is only an example, and the number of single cells 110 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100.

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、燃料極116は、導電性金属であるNiと酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZの粒子とのサーメットにより形成されているとしているが、導電性金属としてNi以外の金属(例えば、CuやMo)が用いられてもよいし、酸化物イオン伝導性セラミックスとしてYSZ以外のセラミックス(例えば、CSZやScSZ)が用いられてもよい。 Further, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of another material. For example, in the above embodiment, the fuel electrode 116 is formed by a cermet of Ni which is a conductive metal and particles of YSZ which is an oxide ion conductive ceramic, but the conductive metal is a metal other than Ni. (For example, Cu or Mo) may be used, or ceramics other than YSZ (for example, CSZ or ScSZ) may be used as the oxide ion conductive ceramics.

本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。 In the present specification, the fact that the member B and the member C face each other with the member (or a portion having the member, the same applies hereinafter) A sandwiching the member A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. It includes a form in which another component is interposed between the member A and the member B or the member C. For example, another layer may be provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. Even with such a configuration, it can be said that the air electrode 114 and the fuel electrode 116 face each other with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.

また、上記実施形態における燃料電池スタック100の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、特定の燃料極基板層用グリーンシートの表面への低粘度のNiOの塗布は、電解質層112と燃料極116との積層体を作製するための焼成工程の前に行われるが、低粘度のNiOの塗布が該焼成工程の後に行われるとしてもよい。また、燃料極116に導電性金属の含有率の高い第1の部分PA1を形成するために、必ずしも導電性金属やその酸化物(例えばNiO)の塗布が行われる必要は無く、他の方法によりそのような構成の単セル110が製造されるとしてもよい。 Further, the method for manufacturing the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the application of low-viscosity NiO to the surface of the green sheet for a specific fuel electrode substrate layer is performed before the firing step for producing a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. However, the application of low viscosity NiO may be performed after the firing step. Further, in order to form the first portion PA1 having a high content of the conductive metal on the fuel electrode 116, it is not always necessary to apply the conductive metal or its oxide (for example, NiO) by another method. A single cell 110 having such a configuration may be manufactured.

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セル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、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。 Further, in the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention comprises an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-207120, but is generally the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is a configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell. However, during the operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and the voltage is applied through the communication hole 108. Water vapor as a raw material gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolytic cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out to the outside of the electrolytic cell stack through the communication hole 108.

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 Further, in the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example, but the present invention also applies to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as the molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable.

22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 107:集電部材−燃料電池単セル複合体 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 210:活性層 220:基板層 310:接合層 400:燃料極側集電部材 410:集電部材凸部 AR1:凸部重複領域 AR2:凸部非重複領域 PA1:第1の部分 PA2:第2の部分 S1:集電部材対向面 SP:表層領域 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 107: Current collector-fuel cell Single cell composite 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air pole 116: Fuel pole 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air pole side frame 131: Hole 132: Oxidating agent gas supply communication Hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode Side current collector 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 210: Active layer 220: Substrate layer 310: Joint layer 400: Fuel pole side current collector 410: Current collector convex AR1: Convex overlapping area AR2: Convex non-overlapping area PA1: First part PA2: Second part S1: Current collecting member facing surface SP: Surface area

Claims (6)

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導電性金属を含む燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記燃料極側に配置され、前記燃料極の表面に接する複数の凸部を有する集電部材と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記燃料極は、前記第1の方向視で前記凸部と重なる凸部重複領域における前記表面を含む部分である第1の部分、前記第1の方向に直交する第2の方向において前記第1の部分の隣に位置すると共に前記第1の方向視で前記凸部と重ならない部分である第2の部分と、を有する表面側部分と、前記第1の方向において前記表面側部分の隣に位置し、前記第1の部分よりも気孔率が高い非表面側部分と、によって構成される特定部分を有し、
前記第1の方向における前記第1の部分の厚さは、前記特定部分の厚さの25%以下であり、
前記第1の部分の導電性金属の含有率(vol%)は、前記第2の部分の導電性金属の含有率(vol%)より高いことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
An electrochemical reaction single cell containing an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode containing a conductive metal facing each other in a first direction across the electrolyte layer, and arranged on the fuel electrode side of the electrochemical reaction single cell. In a current collecting member-electrochemical reaction single cell composite comprising a current collecting member having a plurality of convex portions in contact with the surface of the fuel electrode.
The fuel electrode, the first in a second direction perpendicular to the first portion is a portion including the surface of the raised portion overlapping region overlapping the convex portion in the first direction when viewed in the first direction A surface side portion having a second portion located next to the first portion and a portion that does not overlap the convex portion in the first directional view, and next to the surface side portion in the first direction. It has a specific portion composed of a non-surface side portion located in, and having a higher porosity than the first portion.
The thickness of the first portion in the first direction is 25% or less of the thickness of the specific portion.
The content of the conductive metal in the first portion (vol%) is higher than the content of the conductive metal in the second portion (vol%). Cell complex.
請求項1に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、In the current collector-electrochemical reaction single cell composite according to claim 1.
前記燃料極は、前記特定部分より前記表面から離れた位置に、前記第1の部分の気孔率より低い気孔率を有する部分を有することを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 The fuel electrode is a current collector-electrochemical reaction single cell composite characterized by having a portion having a porosity lower than the porosity of the first portion at a position away from the surface of the specific portion. body.
請求項1または請求項2に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記燃料極は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子を含み、
前記第1の部分は、前記導電性金属の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、
前記第2の部分は、前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が30(vol%)以上であり、かつ、気孔率が30(vol%)以上であることを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
In the current collector-electrochemical reaction single cell composite according to claim 1 or 2 .
The fuel electrode contains oxide ion conductive ceramic particles.
In the first portion, the content of the conductive metal is 30 (vol%) or more, and the content of the oxide ion conductive ceramic particles is 30 (vol%) or more.
The second portion is a current collecting member characterized in that the content of the oxide ion conductive ceramic particles is 30 (vol%) or more and the porosity is 30 (vol%) or more. -Electrochemical reaction single cell complex.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記第1の部分における前記導電性金属と前記集電部材とは、同一の金属元素を含むことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
In the current collector-electrochemical reaction single cell composite according to any one of claims 1 to 3 .
A current collector-electrochemical reaction single cell composite, characterized in that the conductive metal and the current collector in the first portion contain the same metal element.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記集電部材は、
各前記凸部における一部分を構成する集電体本体と、
前記集電体本体と前記燃料極の前記表面との間に介在し、各前記凸部における前記燃料極の前記表面に接する部分を構成する接合層と、
を含み、
前記第1の部分における前記導電性金属と前記接合層とは、同一の金属元素を含むことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
In the current collector-electrochemical reaction single cell composite according to any one of claims 1 to 4 .
The current collector member
A current collector main body that constitutes a part of each convex portion,
A bonding layer that is interposed between the current collector main body and the surface of the fuel electrode and constitutes a portion of each convex portion that is in contact with the surface of the fuel electrode.
Including
A current collector-electrochemical reaction single cell composite, characterized in that the conductive metal and the bonding layer in the first portion contain the same metal element.
前記第1の方向に並べて配列された複数の集電部材−電気化学反応単セル複合体を備え
る電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の集電部材−電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
In an electrochemical reaction cell stack including a plurality of current collector-electrochemical reaction single cell composites arranged side by side in the first direction.
At least one of the plurality of current collector-electrochemical reaction single cell composites is the current collector-electrochemical reaction single cell composite according to any one of claims 1 to 5. An electrochemical reaction cell stack characterized by.
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