JP7061105B2 - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack Download PDF

Info

Publication number
JP7061105B2
JP7061105B2 JP2019216334A JP2019216334A JP7061105B2 JP 7061105 B2 JP7061105 B2 JP 7061105B2 JP 2019216334 A JP2019216334 A JP 2019216334A JP 2019216334 A JP2019216334 A JP 2019216334A JP 7061105 B2 JP7061105 B2 JP 7061105B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
air electrode
single cell
electrochemical reaction
fuel
reaction single
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019216334A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021086786A (en
Inventor
達也 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Morimura SOFC Technology Co Ltd
Original Assignee
Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Morimura SOFC Technology Co Ltd filed Critical Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority to JP2019216334A priority Critical patent/JP7061105B2/en
Publication of JP2021086786A publication Critical patent/JP2021086786A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7061105B2 publication Critical patent/JP7061105B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。 The techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction single cells.

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、固体酸化物を含む電解質層と、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備える。空気極は、ＡＢＯ３で表される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）やＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物））を含むように構成されている。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of the types of fuel cells that generate power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”), which is a constituent unit of SOFC, includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction across the electrolyte layer. To prepare for. The air electrode is configured to contain a perovskite-type oxide represented by ABO 3 (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide) or LSM (lanternstrontium manganese oxide)).

例えば空気極に供給されるガス中に、Ｓ（硫黄）、Ｂ（ホウ素）、Ｃｒ（クロム）、Ｓｉ（ケイ素）等の成分を含む汚染物質が含まれていると、該汚染物質が空気極における三相界面に付着して反応場が減少する現象（「空気極の被毒」と呼ばれる。）が発生し、単セルの性能が低下するおそれがある。従来、空気極上に捕集層を設け、該捕集層により汚染物質を捕集することにより、空気極への汚染物質の進入を抑制して空気極の被毒の発生を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。 For example, if the gas supplied to the air electrode contains a pollutant containing components such as S (sulfur), B (boron), Cr (chromium), and Si (silicon), the pollutant is the air electrode. A phenomenon in which the reaction field is reduced by adhering to the three-phase interface in (called "poisoning of the air electrode") may occur, and the performance of the single cell may be deteriorated. Conventionally, a technique is known in which a collecting layer is provided on an air electrode and pollutants are collected by the collecting layer to suppress the invasion of pollutants into the air electrode and suppress the generation of poisoning of the air electrode. (See, for example, Patent Document 1).

特開２０１８－１４７６６０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-147660

上記従来の技術では、空気極とは別に捕集層を設ける必要があるため、単セルの製造工程が煩雑になると共に、空気極と捕集層との間の熱膨張差に起因する層間剥離が発生するおそれがあるため、好ましくない。従来の技術では、空気極とは別の部材を設けることなく、汚染物質による空気極の被毒に起因する単セルの性能低下を抑制することが困難である、という課題がある。 In the above-mentioned conventional technique, since it is necessary to provide a collecting layer separately from the air electrode, the manufacturing process of a single cell becomes complicated, and delamination due to the difference in thermal expansion between the air electrode and the collecting layer is complicated. Is not preferable because it may occur. The conventional technique has a problem that it is difficult to suppress the deterioration of the performance of a single cell due to the poisoning of the air electrode by a pollutant without providing a member separate from the air electrode.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルにも共通の課題である。 It should be noted that such a problem is also common to the electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. It is an issue. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell. Further, such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is a problem common to other types of electrochemical reaction single cells.

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 techniques disclosed herein can be realized, for example, in the following forms.

（１）本明細書に開示される電気化学反応単セルは、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物を含有し、前記空気極における前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、気孔の一部であって、幅が０．０５μｍ以下であり、かつ、長さが０．１μｍ以上である部分が２５個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在する。気孔の上記部分は、幅が細く、かつ、長さが長い部分（細長い部分）であるため、該部分に進入したＳ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質を効果的にトラップする。すなわち、気孔の該部分は、大きなアンカー効果を発揮するため、吸着した汚染物質を長期間保持する。そのため、本電気化学反応単セルによれば、例えば空気極とは別に捕集層等の別部材を設けることなく、空気極内に多数存在する該部分において汚染物質を効果的にトラップすることができ、汚染物質が空気極における三相界面に付着して反応場が減少する現象（空気極の被毒）により電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is an electrochemical reaction single cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. The air electrode contains a perovskite-type oxide represented by ABO 3 , and is part of a pore in the air electrode in at least one cross section parallel to the first direction and has a width of 0. There is a region having a size of 10 μm × 10 μm such that there are 25 or more portions having a length of 05 μm or less and a length of 0.1 μm or more. Since the above portion of the pores is a narrow and long portion (elongated portion), it effectively traps contaminants containing components such as S, B, Cr, and Si that have entered the portion. .. That is, the portion of the pores exerts a large anchoring effect and thus retains the adsorbed contaminants for a long period of time. Therefore, according to this electrochemical reaction single cell, it is possible to effectively trap pollutants in the portion existing in a large number in the air electrode without providing a separate member such as a collection layer separately from the air electrode, for example. It is possible to prevent the performance of the electrochemical reaction single cell from deteriorating due to the phenomenon that the pollutant adheres to the three-phase interface at the air electrode and the reaction field decreases (poisoning of the air electrode).

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記空気極における前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、気孔の一部であって、幅が０．０５μｍ以下であり、かつ、長さが０．２５μｍ以上である部分が８個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在する構成としてもよい。気孔の該部分は、幅がある程度細く、かつ、長さが極めて長い部分（極めて細長い部分）であるため、該部分に進入した汚染物質を極めて効果的にトラップする。そのため、上記構成を採用すれば、空気極内に多数存在する該部分において汚染物質をさらに効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極の被毒により電気化学反応単セルの性能が低下することを効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, at least one cross section parallel to the first direction in the air electrode is a part of a pore, has a width of 0.05 μm or less, and has a length. There may be a configuration in which a region having a size of 10 μm × 10 μm exists so that there are eight or more portions having a value of 0.25 μm or more. Since the portion of the pores is narrow to some extent and extremely long (extremely elongated portion), it is extremely effective in trapping contaminants that have entered the portion. Therefore, if the above configuration is adopted, pollutants can be trapped more effectively in the portion existing in a large number in the air electrode, and the performance of the electrochemical reaction single cell deteriorates due to the poisoning of the air electrode by the pollutant. Can be effectively suppressed.

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記空気極は、Ｓｒを含有し、前記空気極に含まれる前記ペロブスカイト型酸化物において、Ｂサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率は、１．０００より大きい構成としてもよい。Ｓ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質がＳｒと結合してトラップされる反応は、空気極に含まれるペロブスカイト型酸化物がＡサイトリッチであるときに発生しやすい。そのため、上記構成を採用すれば、空気極内に多数存在する上記細長い部分において汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極の被毒により電気化学反応単セルの性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the air electrode contains Sr, and in the perovskite-type oxide contained in the air electrode, the weight of the element occupying the A site relative to the weight of the element occupying the B site. The ratio may be larger than 1.000. The reaction in which pollutants containing components such as S, B, Cr, and Si are bound to Sr and trapped tends to occur when the perovskite-type oxide contained in the air electrode is A-site rich. Therefore, if the above configuration is adopted, pollutants can be trapped more effectively in the elongated portions existing in the air electrode, and the performance of the electrochemical reaction single cell is improved by the poisoning of the air electrode by the pollutant. The decrease can be suppressed more effectively.

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記空気極における前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記ペロブスカイト型酸化物の粒子と気孔との界面長は、１．６μｍ／μｍ２以上である構成としてもよい。ペロブスカイト型酸化物の粒子と気孔との間の界面長が比較的長いと、ガス中に含まれる汚染物質がペロブスカイト型酸化物の粒子と接触する可能性が高くなり、気孔の上記細長い部分による汚染物質のトラップ機能が高くなる。そのため、上記構成を採用すれば、空気極内に多数存在する上記細長い部分において汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極の被毒により電気化学反応単セルの性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the interface length between the particles of the perovskite-type oxide and the pores is 1.6 μm / μm 2 in at least one cross section parallel to the first direction at the air electrode. The configuration may be as described above. If the interface length between the perovskite-type oxide particles and the pores is relatively long, the contaminants contained in the gas are more likely to come into contact with the perovskite-type oxide particles, and contamination by the elongated portion of the pores. Increases the trapping function of substances. Therefore, if the above configuration is adopted, pollutants can be more effectively trapped in the elongated portions existing in the air electrode, and the performance of the electrochemical reaction single cell can be improved by the poisoning of the air electrode by the pollutants. The decrease can be suppressed more effectively.

（５）上記電気化学反応単セルにおいて、前記空気極の気孔率は、４６％以上である構成としてもよい。空気極の気孔率が比較的高いと、ガス拡散性が高くなり、ガス中に含まれる汚染物質がペロブスカイト型酸化物の粒子と接触する可能性が高くなり、気孔の上記細長い部分による汚染物質のトラップ機能が高くなる。そのため、上記構成を採用すれば、空気極内に多数存在する上記細長い部分において汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極の被毒により電気化学反応単セルの性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction single cell, the porosity of the air electrode may be 46% or more. When the pore ratio of the air electrode is relatively high, the gas diffusivity is high, and the possibility that the pollutants contained in the gas come into contact with the particles of the perovskite-type oxide is high, and the pollutants due to the elongated portion of the pores are likely to come into contact with each other. The trap function becomes higher. Therefore, if the above configuration is adopted, pollutants can be trapped more effectively in the elongated portions existing in the air electrode, and the performance of the electrochemical reaction single cell is improved by the poisoning of the air electrode by the pollutant. The decrease can be suppressed more effectively.

（６）上記電気化学反応単セルにおいて、前記空気極の平均気孔径は、０．６４μｍ以下である構成としてもよい。空気極の平均気孔径が比較的小さいと、ガス中に含まれる汚染物質がペロブスカイト型酸化物の粒子と接触する可能性が高くなり、気孔の上記細長い部分による汚染物質のトラップ機能が高くなる。そのため、上記構成を採用すれば、空気極内に多数存在する上記細長い部分において汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極の被毒により電気化学反応単セルの性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。 (6) In the electrochemical reaction single cell, the average pore diameter of the air electrode may be 0.64 μm or less. When the average pore diameter of the air electrode is relatively small, the pollutants contained in the gas are more likely to come into contact with the particles of the perovskite-type oxide, and the function of trapping the pollutants by the elongated portion of the pores is enhanced. Therefore, if the above configuration is adopted, pollutants can be trapped more effectively in the elongated portions existing in the air electrode, and the performance of the electrochemical reaction single cell is improved by the poisoning of the air electrode by the pollutant. The decrease can be suppressed more effectively.

（７）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層は、固体酸化物を含む構成としてもよい。このような構成を採用すれば、固体酸化物形の電気化学反応単セルにおいて、例えば空気極とは別に捕集層等の別部材を設けることなく、汚染物質による空気極の被毒により電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (7) In the electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer may be configured to contain a solid oxide. If such a configuration is adopted, in a solid oxide type electrochemical reaction single cell, for example, without providing a separate member such as a collection layer separately from the air electrode, electrochemical is performed by poisoning the air electrode by a pollutant. It is possible to suppress the deterioration of the performance of the reaction single cell.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解単セル）、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック（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, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), and a plurality of electrochemical reaction single cells. It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) provided, a method for manufacturing the same, and the like.

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A perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present 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. 単セル１１０における空気極１１４周辺の詳細構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the detailed structure around the air electrode 114 in a single cell 110 空気極１１４内に存在する気孔Ｖの詳細構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the detailed structure of the pore V existing in the air electrode 114 性能評価結果を示す説明図Explanatory diagram showing performance evaluation results

Ａ．実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、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. Constitution:
(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 in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram 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）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of power generation units 102 (seven in this embodiment) and a pair of end plates 104, 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this 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軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。 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 around the Z-axis 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 constituting 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 constituting 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軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔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, 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 axis direction. In the space formed by the positioned 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 introduced into each of the spaces. It functions as an oxidizer gas introduction manifold 161 that is a gas flow path supplied to the power generation unit 102, and is inside 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 near the point and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted is an oxidant off-gas OOG which is a gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. Functions as an oxidant gas discharge manifold 162 that discharges the fuel cell stack 100 to the outside. In this embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔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 midpoint of one side (the side on the positive side 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 axis direction. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located in the vicinity 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 introduced into each of the spaces. A bolt that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the power generation unit 102 and is located near the midpoint of the opposite side (the side on the negative side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis). The space formed by the 22 (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is a fuel off-gas FOG, which is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, outside the fuel cell stack 100. It functions as a fuel gas discharge manifold 172 that discharges to. In this embodiment, as the fuel gas FG, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a city gas is used.

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 cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 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 located above the power generation unit 102 located at the top, and the other end plate 106 is located below the power generation unit 102 located at the bottom. A plurality of power generation units 102 are sandwiched by a pair of end plates 104 and 106 in a pressed state. 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 diagram 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 the XZ cross-sectional configuration of the two power generation units 102 adjacent to each other 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軸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 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. A hole corresponding to the communication hole 108 into which the bolt 22 described above is inserted is formed in the peripheral portion of the separator 120, the air pole side frame 130, the fuel pole side frame 140, and the interconnector 150 around the Z-axis direction.

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。 The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical conduction between the power generation units 102 and prevents mixing of the reaction gas between the power generation units 102. In this 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 one 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（Ｚ軸方向）に互いに対向する燃料極（アノード）１１６および空気極（カソード)１１４と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１８０とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６によって単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１８０）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, a fuel electrode (anode) 116 and an air electrode (cathode) 114 facing each other in the vertical direction (Z-axis direction) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween, and an electrolyte layer 112 and an air electrode 114. It is provided with an intermediate layer 180 arranged between the two. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel pole support type single cell that supports other layers (electrolyte layer 112, air pole 114, intermediate layer 180) constituting the single cell 110 by the fuel pole 116.

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０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。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、ＡＢＯ３で表される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））を含むように構成されている。空気極１１４の構成について、後に詳述する。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。中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とＹＳＺとを含むように構成されている。中間層１８０は、空気極１１４から拡散したＳｒが電解質層１１２に含まれるＺｒと反応して高抵抗な物質であるＳｒＺｒＯ３が生成されることを抑制する。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member and is configured to contain a solid oxide (for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia)). That is, the single cell 110 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is configured to contain a perovskite-type oxide represented by ABO 3 (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide)). The configuration of the air electrode 114 will be described in detail later. 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 intermediate layer 180 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is configured to include, for example, GDC (gadolinium-doped ceria) and YSZ. The intermediate layer 180 suppresses that Sr diffused from the air electrode 114 reacts with Zr contained in the electrolyte layer 112 to produce SrZrO 3 , which is a highly resistant substance.

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 formed of, for example, metal. 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 facing portions 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 pole 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 pole side frame 130 constitutes an air chamber 166 facing the air pole 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 pole 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. The 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。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。 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. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel pole 116. Are in contact. 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 current collector 144 on the fuel electrode side has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected to each other. A spacer 149 formed of, for example, a 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.

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、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として構成されてもよい。また、空気極側集電体１３４やインターコネクタ１５０の少なくとも一部の表面が、導電性のコートによって覆われていてもよい。また、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間に、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 pole side current collector 134 is in contact with the surface of the air pole 114 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 on the side facing the air pole 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 current collector 134 on the air electrode side has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected to each other. The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be configured as an integral member. Further, at least a part of the surface of the air electrode side current collector 134 or the interconnector 150 may be covered with a conductive coat. Further, a conductive bonding layer for bonding the air electrode 114 and the current collector 134 on the air electrode side 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 oxidant gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 via 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および燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４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, power is generated by the electrochemical reaction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Will be. 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. It may be heated by (not shown).

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

Ａ－３．空気極１１４の詳細構成：
次に、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０における空気極１１４の詳細構成について説明する。図６は、単セル１１０における空気極１１４周辺の詳細構成を示す説明図である。図６には、空気極１１４を挟んで電解質層１１２の一部と空気極側集電体１３４の一部とが含まれる領域（図４の領域Ｘ１）における単セル１１０のＸＺ断面構成が模式的に示されている。 A-3. Detailed configuration of air pole 114:
Next, the detailed configuration of the air electrode 114 in each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration around the air electrode 114 in the single cell 110. FIG. 6 schematically shows an XZ cross-sectional configuration of a single cell 110 in a region (region X1 in FIG. 4) including a part of the electrolyte layer 112 and a part of the current collector 134 on the air pole side with the air pole 114 interposed therebetween. Is shown.

図６に示すように、本実施形態では、空気極１１４は、拡散層２２０と、拡散層２２０より電解質層１１２側（下側）に位置する活性層２１０とから構成されている。空気極１１４の活性層２１０は、主として、酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する層であり、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（本実施形態では、ＬＳＣＦ）と、活性化物質（本実施形態ではは、ＧＤＣ）とを含むように構成されている。活性層２１０におけるペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）の含有比率は、１０ｖｏｌ％以上であることが好ましく、３０ｖｏｌ％以上であることがさらに好ましい。活性層２１０の厚さは、例えば、５μｍ～２０μｍ程度である。 As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the air electrode 114 is composed of a diffusion layer 220 and an active layer 210 located on the electrolyte layer 112 side (lower side) of the diffusion layer 220. The active layer 210 of the air electrode 114 is a layer that mainly functions as a field for the ionization reaction of oxygen contained in the oxidant gas OG, and is a perovskite-type oxide represented by ABO 3 (LSCF in this embodiment). , An activating substance (GDC in this embodiment) and the like. The content ratio of the perovskite-type oxide (LSCF) in the active layer 210 is preferably 10 vol% or more, more preferably 30 vol% or more. The thickness of the active layer 210 is, for example, about 5 μm to 20 μm.

空気極１１４の拡散層２２０は、主として、空気室１６６から供給された酸化剤ガスＯＧを拡散させると共に、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り、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（本実施形態では、ＬＳＣＦ）を含むように構成されている。拡散層２２０におけるペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）の含有比率は、８０ｖｏｌ％以上であることが好ましく、９０ｖｏｌ％以上であることがさらに好ましい。拡散層２２０の厚さは、例えば、５０μｍ～１００μｍ程度である。 The diffusion layer 220 of the air electrode 114 is a layer that mainly diffuses the oxidant gas OG supplied from the air chamber 166 and functions as a place for collecting electricity obtained by the power generation reaction, and is represented by ABO 3 . It is configured to contain a perovskite-type oxide (LSCF in this embodiment). The content ratio of the perovskite-type oxide (LSCF) in the diffusion layer 220 is preferably 80 vol% or more, and more preferably 90 vol% or more. The thickness of the diffusion layer 220 is, for example, about 50 μm to 100 μm.

本実施形態の単セル１１０は、空気極１１４内に存在する気孔Ｖの構成に特徴がある。図７は、空気極１１４内に存在する気孔Ｖの詳細構成を示す説明図である。図７のＡ欄には、空気極１１４（の拡散層２２０）の一部の領域（図６の領域Ｘ２）のＸＺ断面構成が拡大して模式的に示されており、図７のＢ欄には、空気極１１４の一部の領域（後述する１つの細長部ＳＰ付近の領域）のＸＺ断面構成がさらに拡大して模式的に示されている。なお、図７のＡ欄およびＢ欄には、主として空気極１１４内に存在する気孔Ｖの構成が示されており、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）の粒子ＰＡについては、その一部のみが破線で示されている。 The single cell 110 of the present embodiment is characterized by the configuration of the pores V existing in the air electrode 114. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the pores V existing in the air electrode 114. In column A of FIG. 7, the XZ cross-sectional configuration of a part of the region (region X2 of FIG. 6) of the air electrode 114 (diffusion layer 220) is enlarged and schematically shown, and column B of FIG. The XZ cross-sectional configuration of a part of the air electrode 114 (a region near one elongated portion SP described later) is schematically shown in an enlarged manner. In columns A and B of FIG. 7, the composition of the pores V mainly present in the air electrode 114 is shown, and the perovskite-type oxide (LSCF) particle PA contained in the air electrode 114 is described. Only part of it is shown by the dashed line.

本実施形態の単セル１１０は、空気極１１４の断面（Ｚ軸方向に平行な断面であり、例えば図７のＡ欄に示すＸＺ断面（以下、同様））に、気孔Ｖの細長部ＳＰが多数存在するように構成されている。ここで、気孔Ｖの細長部ＳＰとは、該断面に表れた気孔Ｖの一部分であって、幅が０．０５μｍ以下であり、かつ、長さが０．１μｍ以上である部分である。すなわち、気孔Ｖの細長部ＳＰは、幅がある程度細く、かつ、長さがある程度長い部分である。気孔Ｖの細長部ＳＰは、ペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）の粒子ＰＡ間に挟まれた部分である。また、気孔Ｖの細長部ＳＰは、閉塞的な部分（すなわち、気孔Ｖの延伸方向に沿った端部を含む部分）であることが好ましい。なお、図７のＢ欄に示すように、気孔Ｖのある部分の幅は、該部分の主たる延伸方向に直交する線分Ｌ１に沿った寸法であり、気孔Ｖのある部分の長さは、幅を規定する上記線分Ｌ１を上記延伸方向に沿って０．０１μｍピッチで複数引いたときの各線分Ｌ１の中点Ｐ１を順番に結ぶ複数の線分Ｌ２の長さの合計である。 In the single cell 110 of the present embodiment, the elongated portion SP of the pore V is formed on the cross section of the air electrode 114 (the cross section parallel to the Z axis direction, for example, the XZ cross section shown in column A of FIG. 7 (hereinafter, the same)). It is configured to exist in large numbers. Here, the elongated portion SP of the pore V is a part of the pore V appearing in the cross section, having a width of 0.05 μm or less and a length of 0.1 μm or more. That is, the elongated portion SP of the pore V is a portion having a narrow width to some extent and a long length to some extent. The elongated portion SP of the pore V is a portion sandwiched between the particles PA of the perovskite type oxide (LSCF). Further, the elongated portion SP of the pore V is preferably a closed portion (that is, a portion including an end portion along the extending direction of the pore V). As shown in column B of FIG. 7, the width of the portion having the pore V is a dimension along the line segment L1 orthogonal to the main extending direction of the portion, and the length of the portion having the pore V is It is the total length of a plurality of line segments L2 connecting the midpoints P1 of each line segment L1 in order when a plurality of the line segments L1 defining the width are drawn at a pitch of 0.01 μm along the stretching direction.

より具体的には、本実施形態の単セル１１０は、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）に、気孔Ｖの細長部ＳＰが２５個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在するように構成されている。なお、１つの気孔Ｖに複数の細長部ＳＰが存在するときは、各細長部ＳＰの個数をカウントするものとする。このように、本実施形態の単セル１１０では、空気極１１４内に、気孔Ｖの細長部ＳＰ（すなわち、気孔Ｖの一部であって、幅が細く、かつ、長さが長い部分）が多数存在する。気孔Ｖの細長部ＳＰは、幅が細く、かつ、長さが長い部分であるため、該細長部ＳＰに進入したＳ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質を効果的にトラップする。すなわち、気孔Ｖの細長部ＳＰは、大きなアンカー効果を発揮するため、吸着した汚染物質を長期間保持する。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、例えば空気極１１４とは別に捕集層等の別部材を設けることなく、空気極１１４内に多数存在する気孔Ｖの細長部ＳＰにおいて汚染物質を効果的にトラップすることができ、汚染物質が空気極１１４における三相界面に付着して反応場が減少する現象（空気極１１４の被毒）により単セル１１０の性能が低下することを抑制することができる。 More specifically, the single cell 110 of the present embodiment has a 10 μm such that 25 or more elongated portions SP of pores V are present in at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the air electrode 114. It is configured so that there is a region having a size of × 10 μm. When there are a plurality of elongated portions SP in one pore V, the number of each elongated portion SP is counted. As described above, in the single cell 110 of the present embodiment, the elongated portion SP of the pore V (that is, the portion that is a part of the pore V and has a narrow width and a long length) is provided in the air electrode 114. There are many. Since the elongated portion SP of the pore V is a portion having a narrow width and a long length, it effectively traps contaminants containing components such as S, B, Cr, and Si that have entered the elongated portion SP. .. That is, since the elongated portion SP of the pore V exerts a large anchoring effect, the adsorbed contaminants are retained for a long period of time. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, for example, without providing a separate member such as a collection layer separately from the air electrode 114, the contaminants are introduced in the elongated portion SP of the pores V existing in the air electrode 114 in large numbers. It can be effectively trapped and suppresses the deterioration of the performance of the single cell 110 due to the phenomenon that contaminants adhere to the three-phase interface at the air electrode 114 and the reaction field decreases (poisoning of the air electrode 114). be able to.

また、単セル１１０は、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）に、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘが８個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在するように構成されていることがより好ましい。ここで、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘとは、細長部ＳＰのうち、長さが０．２５μｍ以上であるものである。すなわち、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘは、幅がある程度細く、かつ、長さが極めて長い部分である。そのため、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘは、該特定細長部ＳＰｘに進入したＳ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質を極めて効果的にトラップする。従って、単セル１１０がこのような構成であれば、空気極１１４内に多数存在する気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘにおいて汚染物質をさらに効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極１１４の被毒により単セル１１０の性能が低下することを効果的に抑制することができる。なお、単セル１１０は、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）に、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘが１１個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在するように構成されていることがさらに好ましい。 Further, the single cell 110 is a region having a size of 10 μm × 10 μm such that eight or more specific elongated portions SPx of pores V are present in at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the air electrode 114. It is more preferred that it is configured to be present. Here, the specific elongated portion SPx of the pore V is an elongated portion SP having a length of 0.25 μm or more. That is, the specific elongated portion SPx of the pore V is a portion having a narrow width to some extent and an extremely long length. Therefore, the specific elongated portion SPx of the pore V traps pollutants containing components such as S, B, Cr, and Si that have entered the specific elongated portion SPx extremely effectively. Therefore, if the single cell 110 has such a configuration, the contaminant can be more effectively trapped in the specific elongated portion SPx of the pores V existing in the air electrode 114, and the air electrode 114 due to the contaminant can be trapped more effectively. It is possible to effectively suppress the deterioration of the performance of the single cell 110 due to poisoning. The single cell 110 is a region having a size of 10 μm × 10 μm such that 11 or more specific elongated portions SPx of pores V are present in at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the air electrode 114. It is even more preferred that it is configured to be present.

また、単セル１１０は、空気極１１４がＳｒを含有し、かつ、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）において、Ｂサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率が１．０００より大きいように（すなわち、Ａサイトリッチに）構成されていることがより好ましい。Ｓ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質がＳｒと結合してトラップされる反応は、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物がＡサイトリッチであるときに発生しやすい。そのため、単セル１１０がこのような構成であれば、気孔Ｖの細長部ＳＰにおいて汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極１１４の被毒により単セル１１０の性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。なお、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）において、Ｂサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率は、１．０６０以下であるとしてもよい。 Further, in the single cell 110, the ratio of the weight of the element occupying the A site to the weight of the element occupying the B site in the perovskite type oxide (LSCF) in which the air electrode 114 contains Sr and is contained in the air electrode 114. Is more preferably configured such that is greater than 1.000 (ie, A-site rich). The reaction in which pollutants containing components such as S, B, Cr, and Si are bound to Sr and trapped is likely to occur when the perovskite-type oxide contained in the air electrode 114 is A-site rich. Therefore, if the single cell 110 has such a configuration, the contaminant can be trapped more effectively in the elongated portion SP of the pore V, and the performance of the single cell 110 is improved by the poisoning of the air electrode 114 by the contaminant. The decrease can be suppressed more effectively. In the perovskite-type oxide (LSCF) contained in the air electrode 114, the ratio of the weight of the element occupying the A site to the weight of the element occupying the B site may be 1.060 or less.

また、単セル１１０は、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）において、ペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長が１．６μｍ／μｍ２以上であるように構成されていることがより好ましい。ペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長が比較的長いと、ガス中に含まれる汚染物質がペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと接触する可能性が高くなり、気孔Ｖの細長部ＳＰによる汚染物質のトラップ機能が高くなる。そのため、単セル１１０がこのような構成であれば、気孔Ｖの細長部ＳＰにおいて汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極１１４の被毒により単セル１１０の性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。なお、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）において、ペロブスカイト型酸化物（ＬＳＣＦ）の粒子ＰＡと気孔Ｖとの界面長は、２．１μｍ／μｍ２以下であるとしてもよい。 Further, the single cell 110 has an interface length between the particles PA of the perovskite-type oxide (LSCF) and the pores V of 1.6 μm / in at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the air electrode 114. It is more preferable that it is configured to be μm 2 or more. If the interface length between the perovskite-type oxide particle PA and the pore V is relatively long, the contaminants contained in the gas are more likely to come into contact with the perovskite-type oxide particle PA, and the pore V is elongated. The function of trapping contaminants by the part SP is enhanced. Therefore, if the single cell 110 has such a configuration, the contaminant can be trapped more effectively in the elongated portion SP of the pore V, and the performance of the single cell 110 is improved by the poisoning of the air electrode 114 by the contaminant. The decrease can be suppressed more effectively. It should be noted that the interface length between the particle PA of the perovskite-type oxide (LSCF) and the pore V in at least one cross section of the air electrode 114 (cross section parallel to the Z-axis direction) is 2.1 μm / μm 2 or less. May be good.

また、単セル１１０は、空気極１１４の気孔率が４６％以上であるように構成されていることがより好ましい。空気極１１４の気孔率が比較的高いと、ガス拡散性が高くなり、ガス中に含まれる汚染物質がペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと接触する可能性が高くなり、気孔Ｖの細長部ＳＰによる汚染物質のトラップ機能が高くなる。そのため、単セル１１０がこのような構成であれば、気孔Ｖの細長部ＳＰにおいて汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極１１４の被毒により単セル１１０の性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。なお、空気極１１４の気孔率は、６４％以下であるとしてもよい。 Further, it is more preferable that the single cell 110 is configured so that the porosity of the air electrode 114 is 46% or more. When the pore ratio of the air electrode 114 is relatively high, the gas diffusibility is high, and the possibility that the contaminants contained in the gas come into contact with the particles PA of the perovskite-type oxide is high, due to the elongated portion SP of the pore V. Increases the trapping function of pollutants. Therefore, if the single cell 110 has such a configuration, the contaminant can be trapped more effectively in the elongated portion SP of the pore V, and the performance of the single cell 110 is improved by the poisoning of the air electrode 114 by the contaminant. The decrease can be suppressed more effectively. The porosity of the air electrode 114 may be 64% or less.

また、単セル１１０は、空気極１１４の平均気孔径が０．６４μｍ以下であるように構成されていることがより好ましい。空気極１１４の平均気孔径が比較的小さいと、ガス中に含まれる汚染物質がペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと接触する可能性が高くなり、気孔Ｖの細長部ＳＰによる汚染物質のトラップ機能が高くなる。そのため、単セル１１０がこのような構成であれば、気孔Ｖの細長部ＳＰにおいて汚染物質を一層効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極１１４の被毒により単セル１１０の性能が低下することをさらに効果的に抑制することができる。なお、空気極１１４の平均気孔径は、０．４１μｍ以上であるとしてもよい。 Further, it is more preferable that the single cell 110 is configured so that the average pore diameter of the air electrode 114 is 0.64 μm or less. When the average pore diameter of the air electrode 114 is relatively small, there is a high possibility that the contaminants contained in the gas come into contact with the particles PA of the perovskite-type oxide, and the function of trapping the contaminants by the elongated portion SP of the pores V is increased. It gets higher. Therefore, if the single cell 110 has such a configuration, the contaminant can be trapped more effectively in the elongated portion SP of the pore V, and the performance of the single cell 110 is improved by the poisoning of the air electrode 114 by the contaminant. The decrease can be suppressed more effectively. The average pore diameter of the air electrode 114 may be 0.41 μm or more.

なお、上述した空気極１１４の各特性は、空気極１１４における電解質層１１２側の界面（本実施形態では、空気極１１４と電解質層１１２との間に中間層１８０が存在するため中間層１８０との界面）からのＺ軸方向に沿った距離が４０μｍ以上の位置において実現されていることが好ましい。また、上述した空気極１１４の各特性は、空気極１１４をＺ軸方向視で所定の方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿って仮想的に３分割したときの各部分において実現されていることが好ましい。 It should be noted that each characteristic of the air electrode 114 described above is the interface on the electrolyte layer 112 side of the air electrode 114 (in the present embodiment, the intermediate layer 180 is present between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112, so that the intermediate layer 180 and the intermediate layer 180 are present. It is preferable that the distance from the interface) along the Z-axis direction is 40 μm or more. Further, each characteristic of the air electrode 114 described above is realized in each portion when the air electrode 114 is virtually divided into three along a predetermined direction (for example, the X-axis direction) in the Z-axis direction. Is preferable.

Ａ－４．単セル１１０の製造方法：
本実施形態の単セル１１０の製造方法は、例えば以下の通りである。 A-4. Manufacturing method of single cell 110:
The method for manufacturing the single cell 110 of the present embodiment is as follows, for example.

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート（ＤＯＰ）と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約１０μｍの電解質層用グリーンシートを得る。また、ＮｉＯの粉末をＮｉ重量に換算して５５質量部となるように秤量し、ＹＳＺの粉末４５質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ２７０μｍの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば１４００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。 (Formation of a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116)
To the YSZ powder, a butyral resin, a plasticizer dioctylphthalate (DOP), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to obtain, for example, a green sheet for an electrolyte layer having a thickness of about 10 μm. Further, the NiO powder is weighed so as to be 55 parts by mass in terms of Ni weight, and mixed with 45 parts by mass of the YSZ powder to obtain a mixed powder. To this mixed powder, butyral resin, DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to obtain, for example, a green sheet for a fuel electrode having a thickness of 270 μm. The green sheet for the electrolyte layer and the green sheet for the fuel electrode are attached and dried. Then, for example, by firing at 1400 ° C., a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 is obtained.

（中間層１８０の形成）
ＧＤＣ粉末にＹＳＺ粉末を添加し、高純度ジルコニア玉石にて６０時間、分散混合を行う。混合後の粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば１２００℃で焼成を行う。これにより、中間層１８０が形成され、中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。 (Formation of intermediate layer 180)
YSZ powder is added to GDC powder, and dispersion mixing is performed with high-purity zirconia boulders for 60 hours. Polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are added to the mixed powder and mixed to adjust the viscosity to prepare a paste for an intermediate layer. The obtained paste for an intermediate layer is applied to the surface of the electrolyte layer 112 in the above-mentioned laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 by screen printing, and is fired at, for example, 1200 ° C. As a result, the intermediate layer 180 is formed, and a laminated body of the intermediate layer 180, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 is obtained.

（空気極１１４の形成）
粉砕したＬＳＣＦ粉末と、ＧＤＣ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極活性層用ペーストを調製する。得られた空気極活性層用ペーストを、上述した中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における中間層１８０の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。また、ＬＳＣＦ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極拡散層用ペーストを調製する。得られた空気極拡散層用ペーストを、上述した空気極活性層ペーストの上にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。その後、所定の温度で焼成を行う。焼成により、空気極１１４の活性層２１０および拡散層２２０が形成される。以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。 (Formation of air electrode 114)
The pulverized LSCF powder, GDC powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed to adjust the viscosity to prepare a paste for an air polar active layer. The obtained paste for an air electrode active layer is applied to the surface of the intermediate layer 180 in the laminate of the intermediate layer 180, the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 described above by screen printing and dried. Further, LSCF powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed to adjust the viscosity to prepare a paste for an air electrode diffusion layer. The obtained paste for an air electrode diffusion layer is applied by screen printing on the above-mentioned air electrode active layer paste and dried. After that, firing is performed at a predetermined temperature. By firing, the active layer 210 and the diffusion layer 220 of the air electrode 114 are formed. By the above steps, the single cell 110 having the above-described configuration is manufactured.

Ａ－５．空気極１１４の各特性の調整方法：
上述した空気極１１４の各特性は、例えば以下のようにして調整することができる。 A-5. How to adjust each characteristic of the air electrode 114:
Each characteristic of the above-mentioned air electrode 114 can be adjusted as follows, for example.

空気極１１４の断面（Ｚ軸方向に平行な断面）における気孔Ｖの細長部ＳＰの個数については、例えば、空気極１１４の焼成の際に、焼成温度を低くするほど細長部ＳＰの個数を多くすることができる。また、空気極１１４の断面（Ｚ軸方向に平行な断面）における気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘの個数については、例えば、空気極１１４の焼成の際に、焼成温度をさらに低くするほど特定細長部ＳＰｘの個数を多くすることができる。 Regarding the number of elongated portions SP of the pores V in the cross section of the air electrode 114 (cross section parallel to the Z-axis direction), for example, when firing the air electrode 114, the lower the firing temperature, the larger the number of elongated portions SP. can do. Regarding the number of specific elongated portions SPx of the pores V in the cross section of the air electrode 114 (cross section parallel to the Z-axis direction), for example, when firing the air electrode 114, the lower the firing temperature, the more the specific elongated portion The number of SPx can be increased.

また、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＢサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率については、例えば、ＬａおよびＳｒが多く含まれるＬＳＣＦ粉末を使うほど該比率を高くすることができる。 Regarding the ratio of the weight of the element occupying the A site to the weight of the element occupying the B site in the perovskite type oxide contained in the air electrode 114, for example, the more the LSCF powder containing a large amount of La and Sr is used, the higher the ratio is. Can be high.

また、空気極１１４の断面（Ｚ軸方向に平行な断面）におけるペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長については、例えば、バインダの量を減らすほど該界面長を長くすることができる。 Regarding the interface length between the particles PA of the perovskite-type oxide and the pore V in the cross section of the air electrode 114 (cross section parallel to the Z-axis direction), for example, the interface length is increased as the amount of binder is reduced. be able to.

また、空気極１１４の気孔率については、例えば、空気極１１４を作製するためのグリーンシート用のスラリーを調製する際に、造孔材の添加量を多くするほど、空気極１１４の気孔率を高くすることができる。 Regarding the porosity of the air electrode 114, for example, when preparing a slurry for a green sheet for producing the air electrode 114, the larger the amount of the pore-forming material added, the higher the porosity of the air electrode 114. Can be high.

また、空気極１１４の平均気孔径については、例えば、空気極１１４を作製するためのグリーンシート用のスラリーを調製する際に、スラリーの固形分比を高くするほど、空気極１１４における平均気孔径を小さくすることができる。また、空気極１１４の焼成の際に、焼成温度を低くするほど、また焼成時間を短くするほど、空気極１１４における平均気孔径を小さくすることができる。 Regarding the average pore diameter of the air electrode 114, for example, when preparing a slurry for a green sheet for producing the air electrode 114, the higher the solid content ratio of the slurry, the more the average pore diameter in the air electrode 114. Can be made smaller. Further, when firing the air electrode 114, the lower the firing temperature and the shorter the firing time, the smaller the average pore diameter in the air electrode 114 can be.

Ａ－６．空気極１１４の各特性の特定方法：
上述した空気極１１４の各特性は、例えば以下のようにして特定することができる。 A-6. How to identify each characteristic of the air electrode 114:
Each characteristic of the above-mentioned air electrode 114 can be specified, for example, as follows.

空気極１１４の断面（Ｚ軸方向に平行な断面）における気孔Ｖの細長部ＳＰの個数については、空気極１１４における該断面のＳＥＭ画像（２０，０００倍）を取得し、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域を設定し、該領域内において気孔Ｖの細長部ＳＰ（または特定細長部ＳＰｘ）を特定し、特定された気孔Ｖの細長部ＳＰ（または特定細長部ＳＰｘ）の個数をカウントする。 Regarding the number of elongated portions SP of the pores V in the cross section of the air pole 114 (cross section parallel to the Z-axis direction), an SEM image (20,000 times) of the cross section in the air pole 114 was obtained, and the size was 10 μm × 10 μm. A region is set, the elongated portion SP (or the specific elongated portion SPx) of the pore V is specified in the region, and the number of the elongated portion SP (or the specific elongated portion SPx) of the specified pore V is counted.

また、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＢサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率については、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析により特定することができる。 Further, the ratio of the weight of the element occupying the A site to the weight of the element occupying the B site in the perovskite type oxide contained in the air electrode 114 can be specified by fluorescent X-ray (XRF) analysis.

また、空気極１１４の断面（Ｚ軸方向に平行な断面）におけるペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長については、上述した空気極１１４のＳＥＭ画像に対して画像処理ソフト（例えば、株式会社リンクスの「ＨＡＬＣＯＮ」）を用いた画像処理を行うことにより特定することができる。 Further, regarding the interface length between the particles PA of the perovskite-type oxide and the pore V in the cross section of the air electrode 114 (cross section parallel to the Z-axis direction), image processing software is used for the above-mentioned SEM image of the air electrode 114. It can be specified by performing image processing using (for example, "HALCON" of Lynx Co., Ltd.).

また、空気極１１４の気孔率および平均気孔径については、上述した空気極１１４のＳＥＭ断面写真を用い、インターセプト法（例えば、水谷惟恭著、「セラミックプロセシング」、技報堂出版、１９８５年３月、ｐ．１９３－ｐ．１９５参照）によって特定することができる。 For the porosity and average pore diameter of the air electrode 114, the intercept method (for example, by Satoshi Mizutani, "Ceramic Processing", Gihodo Publishing Co., Ltd., March 1985, p. .193-p.195)).

Ａ－７．性能評価：
複数の単セル１１０のサンプルを用いて性能評価を行った。図８は、性能評価結果を示す説明図である。 A-7. Performance evaluation:
Performance evaluation was performed using samples of a plurality of single cells 110. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result.

図８に示すように、性能評価には７つの単セル１１０のサンプル（ＳＡ１～ＳＡ７）が用いられた。各サンプルは、空気極１１４の上述した各特性（気孔Ｖの細長部ＳＰの個数Ｎ１（１０μｍ×１０μｍの大きさの領域あたり）、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘの個数Ｎ２（同）、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物におけるＢサイトを占める元素の重量Ｗｂに対するＡサイトを占める元素の重量Ｗａの比率（Ｗａ／Ｗｂ）、ペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長、空気極１１４の気孔率、空気極１１４の平均気孔径）が互いに異なっている。上述した単セル１１０の製造方法および空気極１１４の各特性の調整方法に従い、各サンプルを作製した。各サンプルにおいて、空気極１１４は活性層２１０と拡散層２２０との２層構成とされ、図８に示される空気極１１４の各特性（気孔Ｖの細長部ＳＰの個数Ｎ１、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘの個数Ｎ２、Ｗａ／Ｗｂ、ＬＳＣＦ粒子ＰＡの界面長、空気極１１４の気孔率、空気極１１４の平均気孔径）は拡散層２２０における値である。 As shown in FIG. 8, seven single cell 110 samples (SA1 to SA7) were used for the performance evaluation. Each sample has the above-mentioned characteristics of the air electrode 114 (number N1 of elongated portions SP of pore V (per region having a size of 10 μm × 10 μm), number of specific elongated portions SP x of pore V N2 (same as above), and air electrode. The ratio of the weight Wa of the element occupying the A site to the weight Wb of the element occupying the B site in the perovskite type oxide contained in 114 (Wa / Wb), the interface length between the particles PA of the perovskite type oxide and the pore V. , Porosity of the air electrode 114, average pore diameter of the air electrode 114) are different from each other. Each sample was prepared according to the above-mentioned manufacturing method of the single cell 110 and the method of adjusting each characteristic of the air electrode 114. In each sample, the air electrode 114 has a two-layer structure consisting of an active layer 210 and a diffusion layer 220, and each characteristic of the air electrode 114 shown in FIG. 8 (number N1 of elongated portions SP of pore V, specific elongated pore V). The number of parts SPx N2, Wa / Wb, the interface length of the LSCF particle PA, the pore ratio of the air electrode 114, and the average pore diameter of the air electrode 114) are values in the diffusion layer 220.

また、各サンプルを用いて、温度７００℃、電流密度０．５５Ａ／ｃｍ２で、４０００時間の発電運転を行い、運転後において、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析により、汚染物質の１つであるＳ（硫黄）の付着量を特定した。また、初期状態および上記発電運転後の状態において電圧を測定し、カレントインタラプション法により単セル１１０のη抵抗を特定し、発電運転によるη抵抗の増加量Δηを算出した。η抵抗の増加量Δηが０．１５Ωｃｍ２未満の場合に合格（〇）と判定し、η抵抗の増加量Δηが０．１５Ωｃｍ２以上の場合に不合格（×）と判定した。なお、Δηは、上述したように、空気極１１４が活性層２１０と拡散層２２０との２層構成とされた単セル１１０の各サンプルを対象として計測した。 In addition, each sample is used for power generation operation at a temperature of 700 ° C. and a current density of 0.55 A / cm 2 for 4000 hours, and after the operation, it is one of the pollutants by fluorescent X-ray (XRF) analysis. The amount of S (sulfur) attached was specified. Further, the voltage was measured in the initial state and the state after the power generation operation, the η resistance of the single cell 110 was specified by the current interruption method, and the increase amount Δη of the η resistance due to the power generation operation was calculated. When the increase amount Δη of the η resistance was less than 0.15 Ωcm 2 , it was determined to be acceptable (◯), and when the increase amount Δη of the η resistance was 0.15 Ωcm 2 or more, it was determined to be rejected (×). As described above, Δη was measured for each sample of the single cell 110 in which the air electrode 114 had a two-layer structure of the active layer 210 and the diffusion layer 220.

サンプルＳＡ１～ＳＡ３では、η抵抗の増加量Δηが０．１５Ωｃｍ２以上であったため、不合格（×）と判定された。サンプルＳＡ１～ＳＡ３では、空気極１１４における気孔Ｖの細長部ＳＰの個数Ｎ１が２５個未満と少ないため、ガス中に含まれるＳ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質を効果的にトラップすることができず、汚染物質が空気極１１４における三相界面に付着して反応場が減少する現象（空気極１１４の被毒）により単セル１１０の性能が低下したものと考えられる。この点は、サンプルＳＡ１～ＳＡ３において、汚染物質の１つであるＳの付着量が比較的少ないことからも裏付けられる。 In the samples SA1 to SA3, since the increase amount Δη of the η resistance was 0.15 Ωcm 2 or more, it was determined to be rejected (x). In the samples SA1 to SA3, since the number N1 of the elongated portions SP of the pores V in the air electrode 114 is as small as less than 25, the contaminants containing components such as S, B, Cr, and Si contained in the gas can be effectively used. It is probable that the performance of the single cell 110 deteriorated due to the phenomenon that the contaminants could not be trapped and the contaminants adhered to the three-phase interface at the air electrode 114 and the reaction field decreased (poisoning of the air electrode 114). This point is supported by the fact that the amount of S, which is one of the pollutants, adhered to the samples SA1 to SA3 is relatively small.

一方、サンプルＳＡ４～ＳＡ７では、η抵抗の増加量Δηが０．１５Ωｃｍ２未満であったため、合格（〇）と判定された。サンプルＳＡ４～ＳＡ７では、空気極１１４における気孔Ｖの細長部ＳＰの個数Ｎ１が２５個以上と多いため、多数存在する細長部ＳＰにおいて、ガス中に含まれるＳ、Ｂ、Ｃｒ、Ｓｉ等の成分を含む汚染物質を効果的にトラップすることができ、汚染物質による空気極１１４の被毒に起因する単セル１１０の性能低下を抑制することができたものと考えられる。この点は、サンプルＳＡ４～ＳＡ７において、汚染物質の１つであるＳの付着量が比較的多いことからも裏付けられる。本性能評価によれば、単セル１１０が、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）に、気孔Ｖの細長部ＳＰが２５個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在するように構成されていれば、汚染物質による空気極１１４の被毒に起因する単セル１１０の性能低下を抑制することができることが確認されたと言える。 On the other hand, in the samples SA4 to SA7, since the increase amount Δη of the η resistance was less than 0.15 Ωcm 2 , it was judged to be acceptable (◯). In the samples SA4 to SA7, since the number N1 of the elongated portion SP of the pore V in the air electrode 114 is as large as 25 or more, the components such as S, B, Cr, and Si contained in the gas in the elongated portion SP existing in large numbers. It is considered that the pollutants containing the above-mentioned substances could be effectively trapped, and the deterioration of the performance of the single cell 110 due to the poisoning of the air electrode 114 by the pollutants could be suppressed. This point is supported by the relatively large amount of S, which is one of the pollutants, attached to the samples SA4 to SA7. According to this performance evaluation, the single cell 110 has a size of 10 μm × 10 μm such that 25 or more elongated portions SP of pores V are present in at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the air electrode 114. It can be said that it has been confirmed that the performance deterioration of the single cell 110 due to the poisoning of the air electrode 114 by the pollutant can be suppressed if the size region is configured to exist.

なお、合格（〇）と判定されたサンプルＳＡ４～ＳＡ７では、空気極１１４における気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘの個数Ｎ２が８個以上であるため、単セル１１０は、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）に、気孔Ｖの特定細長部ＳＰｘが８個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在するように構成されていることがより好ましいと言える。 In the samples SA4 to SA7 judged to be acceptable (◯), the number N2 of the specific elongated portions SPx of the pore V in the air electrode 114 is 8 or more, so that the single cell 110 is at least one of the air electrodes 114. It is more preferable that the cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) is configured to have a region having a size of 10 μm × 10 μm such that eight or more specific elongated portions SPx of the pores V are present. I can say.

また、合格（〇）と判定されたサンプルＳＡ４～ＳＡ７では、空気極１１４がＳｒを含有し、かつ、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物において、Ｂサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率が１．０００より大きいため、単セル１１０は、空気極１１４がＳｒを含有し、かつ、空気極１１４に含まれるペロブスカイト型酸化物において、Ｂサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率が１．０００より大きいように構成されていることがより好ましいと言える。 Further, in the samples SA4 to SA7 judged to be acceptable (〇), the air electrode 114 contains Sr, and in the perovskite type oxide contained in the air electrode 114, the A site with respect to the weight of the element occupying the B site is obtained. Since the ratio of the weight of the element occupying is larger than 1.000, the single cell 110 has the air electrode 114 containing Sr, and the perovskite-type oxide contained in the air electrode 114 has the weight of the element occupying the B site with respect to the weight of the element. It can be said that it is more preferable that the ratio of the weights of the elements occupying the A site is larger than 1.000.

また、合格（〇）と判定されたサンプルＳＡ４～ＳＡ７では、ペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長が１．６μｍ／μｍ２以上であるため、単セル１１０は、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）において、ペロブスカイト型酸化物の粒子ＰＡと気孔Ｖとの間の界面長が１．６μｍ／μｍ２以上であるように構成されていることがより好ましいと言える。 Further, in the samples SA4 to SA7 judged to be acceptable (〇), the interface length between the particles PA of the perovskite type oxide and the pore V is 1.6 μm / μm 2 or more, so that the single cell 110 is air. In at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the pole 114, the interface length between the particles PA of the perovskite-type oxide and the pore V is configured to be 1.6 μm / μm 2 or more. Can be said to be more preferable.

また、合格（〇）と判定されたサンプルＳＡ４～ＳＡ７では、空気極１１４の気孔率が４６％以上であるため、単セル１１０は、空気極１１４の気孔率が４６％以上であるように構成されていることがより好ましいと言える。 Further, in the samples SA4 to SA7 judged to be acceptable (◯), the porosity of the air electrode 114 is 46% or more, so that the single cell 110 is configured such that the porosity of the air electrode 114 is 46% or more. It can be said that it is more preferable.

また、合格（〇）と判定されたサンプルＳＡ４～ＳＡ７では、空気極１１４の平均気孔径が０．６４μｍ以下であるため、単セル１１０は、空気極１１４の平均気孔径が０．６４μｍ以下であるように構成されていることがより好ましいと言える。 Further, in the samples SA4 to SA7 judged to be acceptable (◯), the average pore diameter of the air electrode 114 is 0.64 μm or less, so that in the single cell 110, the average pore diameter of the air electrode 114 is 0.64 μm or less. It can be said that it is more preferable that it is configured as there is.

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, and for example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における単セル１１０または燃料電池スタック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、空気極１１４は、活性層２１０と拡散層２２０との二層構成であるとしているが、空気極１１４が活性層２１０および拡散層２２０以外の他の層を含むとしてもよいし、空気極１１４が単層構成であるとしてもよい。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。 The configuration of the single cell 110 or 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 air electrode 114 has a two-layer structure of the active layer 210 and the diffusion layer 220, but even if the air electrode 114 includes a layer other than the active layer 210 and the diffusion layer 220. Alternatively, the air electrode 114 may have a single-layer structure. 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構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、上記実施形態では、空気極１１４（活性層２１０および拡散層２２０）がＬＳＣＦを含むとしているが、空気極１１４は、ＬＳＣＦに代えて、あるいはＬＳＣＦに加えて、他のペロブスカイト型酸化物を含むとしてもよい。 Further, the material constituting each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be composed of another material. For example, in the above embodiment, the air electrode 114 (active layer 210 and diffusion layer 220) contains LSCF, but the air electrode 114 contains another perovskite oxide in place of LSCF or in addition to LSCF. It may be included.

また、上記実施形態における空気極１１４の各特性は、活性層２１０において実現されていてもよいし、拡散層２２０において実現されていてもよいし、両者において実現されていてもよい。また、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル１１０について、上述した空気極１１４の各特性が実現されている必要は無く、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの単セル１１０について、上述した空気極１１４の各特性が実現されていれば、該単セル１１０について、発電性能の低下を抑制することができるという効果を奏する。また、単セル１１０において、上述した空気極１１４の各特性のすべてが実現されている必要はなく、空気極１１４の少なくとも１つの断面（Ｚ軸方向に平行な断面）に、気孔Ｖの細長部ＳＰが２５個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在する、という特性が実現されていれば、他の特性が実現されていなくてもよい。 Further, each characteristic of the air electrode 114 in the above embodiment may be realized in the active layer 210, may be realized in the diffusion layer 220, or may be realized in both. Further, in the above embodiment, it is not always necessary that each characteristic of the above-mentioned air electrode 114 is realized for all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100, and at least one single cell included in the fuel cell stack 100. If the above-mentioned characteristics of the air electrode 114 are realized for the cell 110, there is an effect that the deterioration of the power generation performance can be suppressed for the single cell 110. Further, in the single cell 110, it is not necessary to realize all the characteristics of the air pole 114 described above, and the elongated portion of the pore V is formed on at least one cross section (cross section parallel to the Z-axis direction) of the air pole 114. As long as the characteristic that there is a region having a size of 10 μm × 10 μm such that 25 or more SPs are realized, other characteristics may not be realized.

また、上記実施形態では、平板形の単セル１１０を対象としているが、本明細書に開示される技術は、平板形以外の他の単セルにも同様に適用可能である。 Further, although the above embodiment targets the flat plate type single cell 110, the technique disclosed in the present specification can be similarly applied to other single cells other than the flat plate type.

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、本明細書に開示される技術は、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２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解単セルおよび電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の空気極１１４の構成を採用すれば、単セルの性能の低下を抑制することができる。 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 technique disclosed in the present specification is: It can also be applied to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water, and an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic single cells. be. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, but is schematically the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is a composition. 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 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. Steam 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. Even in the electrolytic cell and the electrolytic cell stack having such a configuration, if the configuration of the air electrode 114 similar to that of the above embodiment is adopted, the deterioration of the performance of the single cell can be suppressed.

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、本明細書に開示される技術は、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 technique disclosed in the present specification is another type of fuel cell (MCFC) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Alternatively, it can also be applied to electrolytic cells).

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー 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 １８０：中間層 ２１０：活性層 ２２０：拡散層 ＳＰ：細長部 ＳＰｘ：特定細長部 Ｖ：気孔 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104: End plate 106: End plate 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 pole side Collector 135: Collector element 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole 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 180: Intermediate layer 210: Active layer 220: Diffusion layer SP: Elongated part SPx: Specific elongated part V: Pore

Claims (8)

電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極は、拡散層と、前記拡散層より前記電解質層側に位置する活性層とから構成されており、
前記空気極は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物を含有し、
前記空気極の前記拡散層における前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、気孔の一部であって、幅が０．０５μｍ以下であり、かつ、長さが０．１μｍ以上である部分が２５個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在する、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In an electrochemical reaction single cell comprising an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer.
The air electrode is composed of a diffusion layer and an active layer located on the electrolyte layer side of the diffusion layer.
The air electrode contains a perovskite-type oxide represented by ABO 3 .
At least one cross section of the diffusion layer of the air electrode parallel to the first direction is a part of a pore, having a width of 0.05 μm or less and a length of 0.1 μm or more. There is a region with a size of 10 μm × 10 μm such that there are 25 or more portions.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極の前記拡散層における前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、気孔の一部であって、幅が０．０５μｍ以下であり、かつ、長さが０．２５μｍ以上である部分が８個以上存在するような、１０μｍ×１０μｍの大きさの領域が存在する、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to claim 1,
At least one cross section of the diffusion layer of the air electrode parallel to the first direction is a part of a pore, having a width of 0.05 μm or less and a length of 0.25 μm or more. There is a region with a size of 10 μm × 10 μm such that there are 8 or more portions.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極の前記拡散層は、Ｓｒを含有し、
前記空気極の前記拡散層に含まれる前記ペロブスカイト型酸化物において、Ｂサイトを占める元素の重量に対するＡサイトを占める元素の重量の比率は、１．０００より大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2.
The diffusion layer of the air electrode contains Sr and
In the perovskite-type oxide contained in the diffusion layer of the air electrode, the ratio of the weight of the element occupying the A site to the weight of the element occupying the B site is larger than 1.000.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極の前記拡散層における前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記ペロブスカイト型酸化物の粒子と気孔との界面長は、１．６μｍ／μｍ２以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 3.
The interface length between the particles of the perovskite-type oxide and the pores is 1.6 μm / μm 2 or more in at least one cross section parallel to the first direction in the diffusion layer of the air electrode.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極の前記拡散層の気孔率は、４６％以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4.
The porosity of the diffusion layer of the air electrode is 46% or more.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極の前記拡散層の平均気孔径は、０．６４μｍ以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 5.
The average pore diameter of the diffusion layer of the air electrode is 0.64 μm or less.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層は、固体酸化物を含む、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 6.
The electrolyte layer contains a solid oxide.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell. 前記第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも１つは、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction.
At least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 7.
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
JP2019216334A 2019-11-29 2019-11-29 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack Active JP7061105B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019216334A JP7061105B2 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019216334A JP7061105B2 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021086786A JP2021086786A (en) 2021-06-03
JP7061105B2 true JP7061105B2 (en) 2022-04-27

Family

ID=76088061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019216334A Active JP7061105B2 (en) 2019-11-29 2019-11-29 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7061105B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7353345B2 (en) * 2021-11-30 2023-09-29 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 Electrochemical reaction cell stack

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010108876A (en) 2008-10-31 2010-05-13 Ngk Insulators Ltd Thin plate element of solid-oxide fuel cell, and the solid-oxide fuel cell
US20130344415A1 (en) 2012-06-25 2013-12-26 Aravind Mohanram Solid oxide fuel cell and method of forming
JP2014129186A (en) 2012-12-27 2014-07-10 Kyocera Corp Ceramic slurry and method for producing the same, and solid oxide fuel cell
WO2014148108A1 (en) 2013-03-19 2014-09-25 日本碍子株式会社 Solid-oxide fuel cell
JP2018018693A (en) 2016-07-28 2018-02-01 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction single cell, and electrochemical reaction cell stack
JP2018152204A (en) 2017-03-10 2018-09-27 株式会社日本触媒 Air electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell including the same
JP2018181572A (en) 2017-04-11 2018-11-15 株式会社デンソー Solid oxide fuel battery cell stack

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010108876A (en) 2008-10-31 2010-05-13 Ngk Insulators Ltd Thin plate element of solid-oxide fuel cell, and the solid-oxide fuel cell
US20130344415A1 (en) 2012-06-25 2013-12-26 Aravind Mohanram Solid oxide fuel cell and method of forming
JP2014129186A (en) 2012-12-27 2014-07-10 Kyocera Corp Ceramic slurry and method for producing the same, and solid oxide fuel cell
WO2014148108A1 (en) 2013-03-19 2014-09-25 日本碍子株式会社 Solid-oxide fuel cell
JP2018018693A (en) 2016-07-28 2018-02-01 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction single cell, and electrochemical reaction cell stack
JP2018152204A (en) 2017-03-10 2018-09-27 株式会社日本触媒 Air electrode for electrochemical cell, and electrochemical cell including the same
JP2018181572A (en) 2017-04-11 2018-11-15 株式会社デンソー Solid oxide fuel battery cell stack

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021086786A (en) 2021-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7079220B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP6760865B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6734723B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6290471B1 (en) Electrochemical reaction cell and electrochemical reaction cell stack
JP6560621B2 (en) Electrochemical reaction single cell, interconnector-electrochemical reaction single cell complex, and electrochemical reaction cell stack
JP7061105B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6530862B2 (en) Electrochemical reaction unit cell and electrochemical reaction cell stack
JP6774287B2 (en) Electrochemical reaction single cell manufacturing method and electrochemical reaction cell stack manufacturing method
JP6993162B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6605969B2 (en) Electrochemical reaction single cell, interconnector-electrochemical reaction single cell complex, and electrochemical reaction cell stack
JP7096645B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP7082456B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6539179B2 (en) Electrochemical reaction unit cell and electrochemical reaction cell stack
JP7082637B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7082636B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7016334B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6917398B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP7121083B2 (en) Cathode materials, electrochemical reaction single cells and electrochemical reaction cell stacks
JP7096643B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP6573719B2 (en) Electrochemical reaction unit, electrochemical reaction cell stack, and method for producing electrochemical reaction unit
JP2022024399A (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP7096644B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP7096642B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP6839021B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP6850179B2 (en) Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20191224

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210215

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20211215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220118

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220308

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220405

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220415

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7061105

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150