JP7082456B2 - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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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。 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, has an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction with the electrolyte layer interposed therebetween. Be prepared.

特開2016-170939号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-170939

単セルの電圧を低下させる抵抗としての分極成分には、単セルを構成する各層の抵抗や各界面の抵抗値であるIR抵抗(抵抗分極)に加えて、各電極(燃料極および空気極)におけるガスのイオン化反応の抵抗値である活性化分極と、各電極におけるガス拡散の抵抗値であるガス拡散分極とがある。従来は、それらの各分極成分の合計を低減することが考慮されておらず、単セルの出力特性に向上の余地がある。 In addition to the resistance of each layer constituting the single cell and the IR resistance (resistance polarization) which is the resistance value of each interface, the polarization component as the resistance that lowers the voltage of the single cell includes each electrode (fuel electrode and air electrode). There are activation polarization, which is the resistance value of the gas ionization reaction in, and gas diffusion polarization, which is the resistance value of gas diffusion at each electrode. Conventionally, it has not been considered to reduce the total of each of these polarization components, and there is room for improvement in the output characteristics of a single cell.

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」ともいう)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, also 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、前記電気化学反応単セルの分極成分を、等価回路解析により、前記燃料極におけるガスのイオン化反応の抵抗値である燃料極の活性化分極と、前記空気極におけるガスのイオン化反応の抵抗値である空気極の活性化分極と、前記燃料極と前記空気極との内の前記第1の方向の厚さが厚い方である特定電極におけるガス拡散の抵抗値であるガス拡散分極と、の3つの抵抗成分に分けたときの前記特定電極の前記活性化分極Paに対する前記ガス拡散分極Pdの比(Pd/Pa)が、1.0以上、4.0以下である。本電気化学反応単セルによれば、トレードオフの関係にある特定電極の活性化分極Paの低減とガス拡散分極Pdの低減とをバランス良く実現することによって電気化学反応単セルのη抵抗を低減することができ、電気化学反応単セルの出力特性を向上させることができる。 (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. By equivalent circuit analysis, the polarization component of the electrochemical reaction single cell is determined by the activation polarization of the fuel electrode, which is the resistance value of the gas ionization reaction at the fuel electrode, and the resistance value of the gas ionization reaction at the air electrode. 3 of activation polarization of a certain air electrode and gas diffusion polarization which is a resistance value of gas diffusion in a specific electrode having a thicker thickness in the first direction among the fuel electrode and the air electrode. The ratio (Pd / Pa) of the gas diffusion polarization Pd to the activation polarization Pa of the specific electrode when divided into two resistance components is 1.0 or more and 4.0 or less. According to this electrochemical reaction single cell, the η resistance of the electrochemical reaction single cell is reduced by achieving a good balance between the reduction of the activation polarization Pa of the specific electrode and the reduction of the gas diffusion polarization Pd, which are in a trade-off relationship. It is possible to improve the output characteristics of the electrochemical reaction single cell.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極は、前記燃料極であり、前記燃料極は、第1の燃料極層と、前記第1の燃料極層と前記電解質層との間に配置され、遷移金属を含む第2の燃料極層と、を含み、前記第2の燃料極層における平均気孔径は、0.55μm以上であり、前記第2の燃料極層における前記遷移金属の平均粒径は、1.10μm以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第2の燃料極層におけるガスの流路(拡散経路)をバランスよく広くすることができ、かつ、第2の燃料極層における反応場としての三層界面をバランスよく多くすることができるため、燃料極の活性化分極Paの低減と燃料極のガス拡散分極Pdの低減とをバランス良く実現することによって電気化学反応単セルのη抵抗を低減することができ、電気化学反応単セルの出力特性を向上させることができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, the specific electrode is the fuel electrode, and the fuel electrode is located between the first fuel electrode layer, the first fuel electrode layer, and the electrolyte layer. The second fuel electrode layer, which is arranged and contains a transition metal, has an average pore diameter of 0.55 μm or more in the second fuel electrode layer, and the transition metal in the second fuel electrode layer has an average pore diameter of 0.55 μm or more. The average particle size may be 1.10 μm or less. According to this electrochemical reaction single cell, the gas flow path (diffusion path) in the second fuel electrode layer can be widened in a well-balanced manner, and the three-layer interface as a reaction field in the second fuel electrode layer. In a well-balanced manner, it is possible to reduce the η resistance of the electrochemical reaction single cell by achieving a good balance between the reduction of the activated polarization Pa of the fuel electrode and the reduction of the gas diffusion polarization Pd of the fuel electrode. It is possible to improve the output characteristics of the electrochemical reaction single cell.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極の前記活性化分極Paに対する前記ガス拡散分極Pdの比(Pd/Pa)が、1.7以上、2.5以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、特定電極の活性化分極Paの低減とガス拡散分極Pdの低減とをさらにバランス良く実現することによって電気化学反応単セルのη抵抗をさらに効果的に低減することができ、電気化学反応単セルの出力特性をさらに効果的に向上させることができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the ratio (Pd / Pa) of the gas diffusion polarization Pd to the activation polarization Pa of the specific electrode may be 1.7 or more and 2.5 or less. .. According to this electrochemical reaction single cell, the η resistance of the electrochemical reaction single cell is further effectively reduced by further reducing the activation polarization Pa of the specific electrode and the gas diffusion polarization Pd in a well-balanced manner. Therefore, the output characteristics of the electrochemical reaction single cell can be further effectively improved.

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 an 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 them, 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である。It is a perspective view which shows the appearance structure of the fuel cell stack 100 in this embodiment. 図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of II-II of FIG. 図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of III-III of FIG. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross section composition of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 単セル110の一部分(電解質層112の一部分および燃料極116の一部分)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。It is explanatory drawing which magnified and shows the XZ cross-sectional structure of a part of a single cell 110 (a part of an electrolyte layer 112 and a part of a fuel electrode 116). 本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of the fuel cell stack 100 in this embodiment. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the performance evaluation result. 性能評価結果における分極比Pd(a)/Pa(a)とη抵抗との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) and η resistance in the performance evaluation result. 燃料極116の活性層350の構成と各特性との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which conceptually shows the relationship between the structure of the active layer 350 of a fuel electrode 116, and each characteristic. 単セル110の等価回路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the equivalent circuit of a single cell 110.

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

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。 Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the positive 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 direction. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located at the center and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted, the fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated for each power generation. A bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located near the midpoint of the 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 (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted causes the fuel off-gas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as a fuel gas discharge manifold 172 to be discharged. In 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 through 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 in the Z 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(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。本実施形態では、燃料極116の厚さ(上下方向のサイズ)が空気極114や電解質層112の厚さより厚く、燃料極116が単セル110を構成する他の層を支持している。すなわち、本実施形態の単セル110は、燃料極支持型の単セルである。燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 facing each other in the vertical direction (arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. In this embodiment, the thickness of the fuel electrode 116 (the size in the vertical direction) is thicker than the thickness of the air electrode 114 and the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 supports other layers constituting the single cell 110. That is, the single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode support type single cell. The fuel electrode 116 corresponds to a specific electrode in the claims.

電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な(気孔率が低い)層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。このように、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。 The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member having a substantially rectangular shape in the Z direction, and is a dense layer (with a low porosity). The electrolyte layer 112 is formed of, for example, a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), and perovskite-type oxide. There is. As described above, the single cell 110 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte.

空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。 The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 in the Z direction, and is a porous layer (having a higher porosity than the electrolyte layer 112). The air electrode 114 is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide), LSM (lanternstrontium manganese oxide), LNF (lantern nickel iron)).

燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。図6は、単セル110の一部分(電解質層112の一部分および燃料極116の一部分)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。図6に示すように、燃料極116は、支持層360と、支持層360と電解質層112との間に配置された活性層350とを備える。本実施形態では、活性層350は電解質層112に隣接しており、支持層360は活性層350に隣接している。活性層350と支持層360とは、例えば、遷移金属であるNi(ニッケル)、Niとセラミック粒子とからなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。セラミック粒子は、酸素イオン伝導性を有する材料であり、例えば、電解質層112を形成する上述の各材料(YSZ等)である。 The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 in the Z direction, and is a porous layer (having a higher porosity than the electrolyte layer 112). FIG. 6 is an explanatory view showing an enlarged XZ cross-sectional configuration of a part of the single cell 110 (a part of the electrolyte layer 112 and a part of the fuel electrode 116). As shown in FIG. 6, the fuel electrode 116 includes a support layer 360 and an active layer 350 arranged between the support layer 360 and the electrolyte layer 112. In this embodiment, the active layer 350 is adjacent to the electrolyte layer 112, and the support layer 360 is adjacent to the active layer 350. The active layer 350 and the support layer 360 are formed of, for example, a transition metal Ni (nickel), a cermet composed of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The ceramic particles are materials having oxygen ion conductivity, and are, for example, the above-mentioned materials (YSZ or the like) forming the electrolyte layer 112.

燃料極116の活性層350は、主として、電解質層112から供給される酸素イオンと燃料ガスFGに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する。また、燃料極116の支持層360は、主として、活性層350と電解質層112と空気極114とを支持する機能を発揮する。なお、支持層360の強度を高めるために、支持層360の厚さは活性層350の厚さより厚いことが好ましい。また、支持層360のガス拡散性を高めるために、支持層360の気孔率は活性層350の気孔率より高いことが好ましい。支持層360は、特許請求の範囲における第1の燃料極層に相当し、活性層350は、特許請求の範囲における第2の燃料極層に相当する。 The active layer 350 of the fuel electrode 116 mainly exerts a function of reacting oxygen ions supplied from the electrolyte layer 112 with hydrogen or the like contained in the fuel gas FG to generate electrons and water vapor. Further, the support layer 360 of the fuel electrode 116 mainly exerts a function of supporting the active layer 350, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114. In order to increase the strength of the support layer 360, the thickness of the support layer 360 is preferably thicker than that of the active layer 350. Further, in order to enhance the gas diffusivity of the support layer 360, it is preferable that the porosity of the support layer 360 is higher than the porosity of the active layer 350. The support layer 360 corresponds to the first fuel electrode layer in the claims, and the active layer 350 corresponds to the second fuel electrode layer in the claims.

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いてもよい。また、空気極側集電体134が導電性のコートによって覆われていてもよく、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, the air electrode side current collector 134 may be covered with a conductive coat, and a conductive bonding layer for bonding the two is interposed between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134. You may be doing it.

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.燃料電池スタック100の製造方法:
図7は、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法の一例を示すフローチャートである。はじめに、単セル110を作製する(S110)。単セル110の作製方法は、例えば、以下の通りである。
A-3. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the fuel cell stack 100 according to the present embodiment. First, a single cell 110 is manufactured (S110). The method for producing the single cell 110 is, for example, as follows.

(燃料極支持層用グリーンシートの作製)
NiO粉末(50重量部)とYSZ粉末(50重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば200μm~300μm)の燃料極支持層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極支持層用グリーンシートのNiO粉末とYSZ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばNiO粉末:YSZ粉末が60:40や40:60であってもよい。つまり、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末が100重量部となるように、NiO粉末は例えば40~60重量部の間で適宜変更でき、残りをYSZ粉末とすることができる。
(Preparation of green sheet for fuel electrode support layer)
For a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (50 parts by weight) and YSZ powder (50 parts by weight), organic beads as a pore-forming material, butyral resin, DOP as a plasticizer, and a dispersant And a mixed solvent of toluene + ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. Organic beads are, for example, spherical particles formed of a polymer such as polymethyl methacrylate or polystyrene. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to prepare a green sheet for a fuel electrode support layer having a predetermined thickness (for example, 200 μm to 300 μm). The ratio of NiO powder and YSZ powder in the green sheet for the fuel electrode support layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 60:40 or 40:60. good. That is, the NiO powder can be appropriately changed between, for example, 40 to 60 parts by weight so that the mixed powder of NiO powder and YSZ powder is 100 parts by weight, and the rest can be YSZ powder.

(燃料極活性層用グリーンシートの作製)
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。なお、上述した燃料極支持層用グリーンシートの作製方法と同様に、スラリーの調整の際に、造孔材としての有機ビーズを加えてもよい。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば10μm~40μm)の燃料極活性層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極活性層用グリーンシートのNiO粉末とYSZ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばNiO粉末:YSZ粉末が50:50や40:60であってもよい。つまり、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末が100重量部となるように、NiO粉末は例えば40~60重量部の間で適宜変更でき、残りをYSZ粉末とすることができる。
(Preparation of green sheet for fuel polar active layer)
A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a toluene + ethanol mixed solvent are added to a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight). In addition, mix in a ball mill to prepare a slurry. As in the method for producing the green sheet for the fuel electrode support layer described above, organic beads as a pore-forming material may be added when preparing the slurry. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to prepare a green sheet for a fuel polar active layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm to 40 μm). The ratio of NiO powder and YSZ powder in the green sheet for the fuel polar active layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 50:50 or 40:60. good. That is, the NiO powder can be appropriately changed between, for example, 40 to 60 parts by weight so that the mixed powder of NiO powder and YSZ powder is 100 parts by weight, and the rest can be YSZ powder.

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

(電解質層112と燃料極116との積層体の作製)
燃料極支持層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて所定の温度(例えば約280℃)で脱脂する。さらに、脱脂後のグリーンシートの積層体を所定の温度(例えば約1350℃)で焼成する。これにより、電解質層112と燃料極116(活性層350および支持層360)との積層体を得る。
(Preparation of a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116)
The green sheet for the fuel electrode support layer, the green sheet for the fuel electrode active layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at a predetermined temperature (for example, about 280 ° C.). Further, the laminated body of the green sheet after degreasing is fired at a predetermined temperature (for example, about 1350 ° C.). As a result, a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 (active layer 350 and support layer 360) is obtained.

(空気極114の形成)
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成する。作成した混合液を、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112の表面に噴霧塗布し、所定の温度(例えば1100℃)で焼成する。これにより、電解質層112の表面上に空気極114が形成され、その結果、燃料極116と電解質層112と空気極114とを備える単セル110を得る。
(Formation of air electrode 114)
A mixed solution of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared. The prepared mixed liquid is spray-coated on the surface of the electrolyte layer 112 in the above-mentioned laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, and fired at a predetermined temperature (for example, 1100 ° C.). As a result, an air electrode 114 is formed on the surface of the electrolyte layer 112, and as a result, a single cell 110 including a fuel electrode 116, an electrolyte layer 112, and an air electrode 114 is obtained.

上述した方法に従い複数の単セル110を作製した後、組み立て工程(例えば、各単セル110にセパレータ120等の他の部材を取り付ける工程、複数の単セル110を積層する工程、ボルト22により締結する工程等)を行う(S120)。以上により、燃料極116の活性層350が還元される前の燃料電池スタック100の組み立てが完了する。 After producing a plurality of single cells 110 according to the method described above, an assembly step (for example, a step of attaching another member such as a separator 120 to each single cell 110, a step of laminating a plurality of single cells 110, and fastening with bolts 22). Steps, etc.) (S120). As described above, the assembly of the fuel cell stack 100 before the active layer 350 of the fuel electrode 116 is reduced is completed.

(還元工程)
その後、燃料電池スタック100を発電運転可能な状態とするため、燃料極116の活性層350を還元する(すなわち、活性層350に含まれるNiOをNiに還元する)還元工程を行う(S130)。還元工程は、例えば、燃料極116を、所定の温度の水素雰囲気に所定の時間だけ晒すことにより実現される。なお、還元工程に利用される還元ガスは、水素に限定されず、メタンガス等の他のガスでもよい。以上により、発電運転可能な状態の燃料電池スタック100の製造が完了する。
(Reduction process)
After that, in order to bring the fuel cell stack 100 into a state in which power generation operation is possible, a reduction step of reducing the active layer 350 of the fuel electrode 116 (that is, reducing NiO contained in the active layer 350 to Ni) is performed (S130). The reduction step is realized, for example, by exposing the fuel electrode 116 to a hydrogen atmosphere at a predetermined temperature for a predetermined time. The reducing gas used in the reduction step is not limited to hydrogen, and may be another gas such as methane gas. As described above, the production of the fuel cell stack 100 in a state in which power generation operation is possible is completed.

A-4.単セル110の各特性の調整方法:
上述した製造方法により燃料電池スタック100を製造する際に、燃料電池スタック100を構成する単セル110の各特性を、例えば以下のように調整することができる。なお、単セル110の各特性の特定方法は、後述の「A-6.単セル110の分析方法」において説明する。
A-4. How to adjust each characteristic of single cell 110:
When the fuel cell stack 100 is manufactured by the manufacturing method described above, each characteristic of the single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 can be adjusted as follows, for example. The method for specifying each characteristic of the single cell 110 will be described in "A-6. Analytical method for the single cell 110" described later.

(燃料極116の活性層350における平均気孔径)
燃料極活性層用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(全体積に対する固形分(NiO粉末、YSZ粉末)の体積の割合)を小さくするほど、燃料極116の活性層350における平均気孔径を大きくすることができる。また、電解質層112と燃料極116との積層体を作製するための焼成の際に、焼成温度を高くするほど、また焼成時間を長くするほど、燃料極116の活性層350における平均気孔径を大きくすることができる。
(Average pore diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116)
When preparing a slurry for a green sheet for a fuel electrode active layer, the smaller the solid content ratio of the slurry (ratio of the volume of solid content (NiO powder, YSZ powder) to the total volume), the more the active layer of the fuel electrode 116 is prepared. The average pore diameter at 350 can be increased. Further, when firing for producing a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, the higher the firing temperature and the longer the firing time, the more the average pore diameter of the fuel electrode 116 in the active layer 350 becomes larger. Can be made larger.

(燃料極116の活性層350における平均気孔率)
燃料極活性層用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、燃料極116の活性層350における平均気孔率を高くすることができる。
(Average porosity in the active layer 350 of the fuel electrode 116)
When preparing a slurry for a green sheet for a fuel electrode active layer, the larger the amount of the pore-forming material added, the higher the average porosity of the fuel electrode 116 in the active layer 350.

(燃料極116の活性層350におけるNiの平均粒径)
燃料極活性層用グリーンシート用のスラリーを調製する際に、NiO粉末の粒径を小さくするほど、燃料極116の活性層350におけるNiの平均粒径を小さくすることができる。また、電解質層112と燃料極116との積層体を作製するための焼成の際に、焼成温度を低くするほど、また焼成時間を短くするほど、燃料極116の活性層350におけるNiの平均粒径を小さくすることができる。
(Average particle size of Ni in the active layer 350 of the fuel electrode 116)
When preparing a slurry for a green sheet for a fuel electrode active layer, the smaller the particle size of the NiO powder, the smaller the average particle size of Ni in the active layer 350 of the fuel electrode 116. Further, when firing for producing a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, the lower the firing temperature and the shorter the firing time, the more the average grain size of Ni in the active layer 350 of the fuel electrode 116. The diameter can be reduced.

(還元工程との関係)
上述した燃料電池スタック100の製造方法における還元工程(図7のS130)と上記各特性との関係は、以下の通りである。例えば、還元工程として、燃料電池スタック100の運転温度(例えば700℃)より低い所定の温度(例えば425℃~600℃)の水素雰囲気に所定の時間(例えば1~2時間)だけ晒す第1の還元工程を行った後、上記運転温度より高い所定の温度(例えば770℃~1000℃)の水素雰囲気に所定の時間(例えば1~2時間)だけ晒す第2の還元工程を行う2段階の還元工程を採用することができる。この場合には、第1の還元工程によって燃料極116の活性層350に含まれるNi粒子のサイズが小さくなり、その結果、Niの比表面積が大きくなってNiが凝集し易い状態となるため、その後の第2の還元工程においてNi粒子の凝集が十分に進行する。そのため、還元工程後の活性層350におけるNiの平均粒径は比較的大きくなる。2段階の還元工程を行う場合において、第1の還元工程における温度を低くするほど、還元工程後の活性層350におけるNiの平均粒径は大きくなる。なお、燃料極116の活性層350において、Niの凝集が進行すると気孔径が大きくなる傾向にあるため、上記2段階の還元工程を採用する場合には、活性層350における平均気孔径は比較的大きくなる。
(Relationship with reduction process)
The relationship between the reduction step (S130 in FIG. 7) in the method for manufacturing the fuel cell stack 100 described above and each of the above characteristics is as follows. For example, as a reduction step, a first method of exposing the fuel cell stack 100 to a hydrogen atmosphere at a predetermined temperature (for example, 425 ° C. to 600 ° C.) lower than the operating temperature (for example, 700 ° C.) for a predetermined time (for example, 1 to 2 hours). After performing the reduction step, a two-step reduction is performed by performing a second reduction step of exposing the hydrogen atmosphere to a hydrogen atmosphere at a predetermined temperature (for example, 770 ° C. to 1000 ° C.) higher than the above operating temperature for a predetermined time (for example, 1 to 2 hours). The process can be adopted. In this case, the size of the Ni particles contained in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is reduced by the first reduction step, and as a result, the specific surface area of Ni is increased and Ni is likely to aggregate. In the subsequent second reduction step, the aggregation of Ni particles sufficiently proceeds. Therefore, the average particle size of Ni in the active layer 350 after the reduction step is relatively large. In the case of performing the two-step reduction step, the lower the temperature in the first reduction step, the larger the average particle size of Ni in the active layer 350 after the reduction step. In the active layer 350 of the fuel electrode 116, the pore diameter tends to increase as the aggregation of Ni progresses. Therefore, when the above two-step reduction step is adopted, the average pore diameter in the active layer 350 is relatively large. growing.

一方、還元工程として、上述した第1の還元工程を実施せずに第2の還元工程のみを実施する場合には、第2の還元工程においてNi粒子の凝集が十分に進行しない。そのため、還元工程後の活性層350におけるNiの平均粒径は比較的小さくなり、活性層350における気孔径は比較的小さくなる。 On the other hand, when only the second reduction step is carried out without carrying out the first reduction step described above as the reduction step, the aggregation of Ni particles does not sufficiently proceed in the second reduction step. Therefore, the average particle size of Ni in the active layer 350 after the reduction step is relatively small, and the pore diameter in the active layer 350 is relatively small.

A-5.性能評価:
上述した各特性が互いに異なる複数の単セル110のサンプルを作製し、該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-5. Performance evaluation:
Samples of a plurality of single cells 110 having different characteristics from each other were prepared, and performance evaluation was performed using the samples. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result.

A-5-1.各サンプルについて:
図8に示すように、各サンプル(サンプルS1~S11)は、上述した各特性(燃料極116の活性層350における平均気孔径、平均気孔率、平均Ni粒径)が互いに異なっている。また、各サンプルは、それらの特性の違いに応じて、単セル110の各分極成分の値が互いに異なっている。ここで、単セル110の分極成分には、単セル110を構成する各層の抵抗値や各界面の抵抗値であるIR抵抗(抵抗分極)に加えて、燃料極116における燃料ガスFGのイオン化反応の抵抗値である燃料極活性化分極Pa(a)と、空気極114における酸化剤ガスOGのイオン化反応の抵抗値である空気極活性化分極Pa(c)と、燃料極116における燃料ガスFGの拡散の抵抗値である燃料極ガス拡散分極Pd(a)と、空気極114における酸化剤ガスOGの拡散の抵抗値である空気極ガス拡散分極Pd(c)とがある。上述したように、本実施形態の単セル110は燃料極支持型であり、空気極114は比較的薄いため、空気極ガス拡散分極Pd(c)は無視できる程度に小さい。単セル110における各分極成分の値の特定方法は、後述の「A-6.単セル110の分析方法」において説明する。
A-5-1. For each sample:
As shown in FIG. 8, each sample (samples S1 to S11) has the above-mentioned characteristics (average pore diameter, average porosity, average Ni particle diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116) different from each other. Further, in each sample, the value of each polarization component of the single cell 110 is different from each other according to the difference in their characteristics. Here, the polarization component of the single cell 110 includes the IR resistance (resistance polarization) which is the resistance value of each layer constituting the single cell 110 and the resistance value of each interface, as well as the ionization reaction of the fuel gas FG at the fuel electrode 116. The fuel electrode activation polarization Pa (a), which is the resistance value of, the air electrode activation polarization Pa (c), which is the resistance value of the ionization reaction of the oxidizing agent gas OG at the air electrode 114, and the fuel gas FG at the fuel electrode 116. There are a fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) which is a resistance value of diffusion of the fuel electrode, and an air electrode gas diffusion polarization Pd (c) which is a resistance value of diffusion of an oxidant gas OG at the air electrode 114. As described above, since the single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode support type and the air electrode 114 is relatively thin, the air electrode gas diffusion polarization Pd (c) is negligibly small. A method for specifying the value of each polarization component in the single cell 110 will be described in "A-6. Analytical method for the single cell 110" described later.

本性能評価では、燃料極活性化分極Pa(a)に対する燃料極ガス拡散分極Pd(a)の比(以下、「分極比」という)に注目して評価を行った。なお、一般に、燃料極116の活性層350における平均気孔径が大きいほど、また、平均気孔率が高いほど、燃料ガスFGの拡散性が向上するため、燃料極ガス拡散分極Pd(a)は低くなり、分極比Pd(a)/Pa(a)の値は小さくなる。また、燃料極116の活性層350の平均Ni粒径が小さいほど、Niの比表面積が増えるために反応場である三層界面が増え、燃料極活性化分極Pa(a)は小さくなり、分極比Pd(a)/Pa(a)の値は大きくなる。 In this performance evaluation, the evaluation was performed focusing on the ratio of the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) to the fuel electrode activation polarization Pa (a) (hereinafter referred to as “polarization ratio”). In general, the larger the average pore diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116 and the higher the average porosity, the better the diffusivity of the fuel gas FG, and therefore the lower the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a). Therefore, the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) becomes smaller. Further, as the average Ni particle size of the active layer 350 of the fuel electrode 116 becomes smaller, the specific surface area of Ni increases, so that the three-layer interface which is the reaction field increases, and the fuel electrode activation polarization Pa (a) becomes smaller and polarized. The value of the ratio Pd (a) / Pa (a) becomes large.

A-5-2.評価項目および評価方法:
本性能評価では、単セル110の初期電圧およびη抵抗の測定を行い、η抵抗の値を基準に性能評価を行った。具体的には、温度700℃、電流密度0.55A/cmで発電運転を行い、単セル110の初期電圧を測定した。また、上記発電運転条件において、カレントインタラプション法により単セル110のη抵抗を測定した。図8に示すように、単セル110のη抵抗が低いほど、単セル110の初期電圧は高くなる傾向にある。本性能評価では、単セル110のη抵抗が0.2Ωcm未満の場合に合格(〇)と判定し、単セル110のη抵抗が0.2Ωcm以上の場合に不合格(×)と判定した。また、単セル110のη抵抗が0.14Ωcm未満の場合に良好(◎)と判定した。
A-5-2. Evaluation items and evaluation methods:
In this performance evaluation, the initial voltage and η resistance of the single cell 110 were measured, and the performance was evaluated based on the value of the η resistance. Specifically, power generation operation was performed at a temperature of 700 ° C. and a current density of 0.55 A / cm 2 , and the initial voltage of the single cell 110 was measured. Further, under the above power generation operation conditions, the η resistance of the single cell 110 was measured by the current interruption method. As shown in FIG. 8, the lower the η resistance of the single cell 110, the higher the initial voltage of the single cell 110 tends to be. In this performance evaluation, if the η resistance of the single cell 110 is less than 0.2 Ωcm 2 , it is judged as acceptable (〇), and if the η resistance of the single cell 110 is 0.2 Ωcm 2 or more, it is judged as rejected (×). did. Further, when the η resistance of the single cell 110 was less than 0.14 Ωcm 2 , it was judged to be good (⊚).

A-5-3.性能評価結果:
図8に示すように、サンプルS1,S2,S10,S11では、η抵抗が0.2Ωcm以上であったため、不合格(×)と判定された。これに対し、サンプルS3,S4,S8,S9では、η抵抗が0.2Ωcm未満であったため、合格(〇)と判定された。また、サンプルS5~S7では、η抵抗が0.14Ωcm未満であったため、良好(◎)と判定された。
A-5-3. Performance evaluation result:
As shown in FIG. 8, in the samples S1, S2, S10, and S11, since the η resistance was 0.2 Ωcm 2 or more, it was determined to be rejected (x). On the other hand, in the samples S3, S4, S8, and S9, the η resistance was less than 0.2 Ωcm 2 , so it was judged to be acceptable (◯). Further, in the samples S5 to S7, the η resistance was less than 0.14 Ωcm 2 , so it was judged to be good (⊚).

図9は、性能評価結果における分極比Pd(a)/Pa(a)とη抵抗との関係を示す説明図である。図8および図9に示すように、不合格と判定されたサンプルS1,S2は、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が比較的小さい(1.0未満である)サンプルであり、同じく不合格と判定されたサンプルS10,S11は、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が比較的大きい(4.0より大きい)サンプルである。これに対し、合格または良好と判定されたサンプルS3~S9は、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が1.0以上、4.0以下の範囲内にあるサンプルである。このように、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が小さすぎても大きすぎてもη抵抗が高くなり、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が中程度(1.0以上、4.0以下の範囲内)であると、η抵抗が低くなることが確認された。また、サンプルS5~S7のように、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が1.7以上、2.5以下の範囲内にあると、η抵抗がさらに低くなることが確認された。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) and the η resistance in the performance evaluation result. As shown in FIGS. 8 and 9, the samples S1 and S2 determined to be rejected are samples in which the values of the polarization ratios Pd (a) / Pa (a) are relatively small (less than 1.0). The samples S10 and S11, which are also determined to be unacceptable, are samples having a relatively large (greater than 4.0) polarization ratio Pd (a) / Pa (a). On the other hand, the samples S3 to S9 judged to be acceptable or good are samples in which the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) is in the range of 1.0 or more and 4.0 or less. As described above, if the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) is too small or too large, the η resistance becomes high, and the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) is medium (1). It was confirmed that the η resistance was low when it was in the range of 0.0 or more and 4.0 or less). Further, it was confirmed that the η resistance was further lowered when the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) was in the range of 1.7 or more and 2.5 or less as in the samples S5 to S7. rice field.

また、合格または良好と判定されたサンプルS3~S9では、燃料極116の活性層350における平均気孔径が0.55μm以上であり、かつ、活性層350における平均Ni粒径が1.10μm以下であった。 Further, in the samples S3 to S9 judged to be acceptable or good, the average pore diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is 0.55 μm or more, and the average Ni particle size in the active layer 350 is 1.10 μm or less. there were.

図10は、燃料極116の活性層350の構成と各特性との関係を概念的に示す説明図である。不合格と判定されたサンプルS1,S2のように、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が比較的小さい単セル110は、図10の左列に示すように、燃料極116の活性層350におけるNi凝集の進行の程度が大きい構成であると考えられる。すなわち、このような単セル110では、活性層350において、平均Ni粒径が比較的大きく、平均気孔径が比較的大きく、平均気孔率が比較的高い。そのため、このような構成の単セル110では、燃料極116の活性層350におけるガスの流路が広いために燃料極ガス拡散分極Pd(a)が比較的低くなるものの、活性層350における反応場としての三層界面が少ないために燃料極活性化分極Pa(a)が極めて高くなる。そのため、このような燃料極ガス拡散分極Pd(a)の低下を優先した構成の単セル110では、燃料極ガス拡散分極Pd(a)と燃料極活性化分極Pa(a)との合計が、かえって大きくなる。 FIG. 10 is an explanatory diagram conceptually showing the relationship between the configuration of the active layer 350 of the fuel electrode 116 and each characteristic. As shown in the left column of FIG. 10, the single cell 110 having a relatively small polarization ratio Pd (a) / Pa (a) like the samples S1 and S2 determined to be rejected has the fuel electrode 116. It is considered that the active layer 350 has a structure in which the degree of progress of Ni aggregation is large. That is, in such a single cell 110, in the active layer 350, the average Ni particle size is relatively large, the average pore diameter is relatively large, and the average porosity is relatively high. Therefore, in the single cell 110 having such a configuration, the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) is relatively low due to the wide gas flow path in the active layer 350 of the fuel electrode 116, but the reaction field in the active layer 350. Since there are few three-layer interfaces, the fuel electrode activation polarization Pa (a) becomes extremely high. Therefore, in the single cell 110 having a configuration in which the reduction of the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) is prioritized, the total of the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) and the fuel electrode activation polarization Pa (a) is calculated. On the contrary, it gets bigger.

また、不合格と判定されたサンプルS10,S11のように、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が比較的大きい単セル110は、図10の右列に示すように、燃料極116の活性層350におけるNi凝集の進行の程度が小さい構成であると考えられる。すなわち、このような単セル110では、活性層350において、平均Ni粒径が比較的小さく、平均気孔径が比較的小さく、平均気孔率が比較的低い。そのため、このような構成の単セル110では、燃料極116の活性層350における反応場としての三層界面が多いために燃料極活性化分極Pa(a)が比較的低くなるものの、燃料極116の活性層350におけるガスの流路が狭いために燃料極ガス拡散分極Pd(a)が極めて高くなる。そのため、このような燃料極活性化分極Pa(a)の低下を優先した構成の単セル110では、燃料極ガス拡散分極Pd(a)と燃料極活性化分極Pa(a)との合計が、かえって大きくなる。 Further, as shown in the right column of FIG. 10, the single cell 110 having a relatively large value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a), such as the samples S10 and S11 determined to be unacceptable, has a fuel electrode. It is considered that the degree of progress of Ni aggregation in the active layer 350 of 116 is small. That is, in such a single cell 110, in the active layer 350, the average Ni particle size is relatively small, the average pore diameter is relatively small, and the average porosity is relatively low. Therefore, in the single cell 110 having such a configuration, the fuel electrode activation polarization Pa (a) is relatively low because there are many three-layer interfaces as reaction fields in the active layer 350 of the fuel electrode 116, but the fuel electrode 116 Since the gas flow path in the active layer 350 is narrow, the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) becomes extremely high. Therefore, in the single cell 110 having a configuration in which the reduction of the fuel electrode activation polarization Pa (a) is prioritized, the total of the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) and the fuel electrode activation polarization Pa (a) is calculated. On the contrary, it gets bigger.

これに対し、合格または良好と判定されたサンプルS3~S9のように、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が中程度(1.0以上、4.0以下の範囲内)である単セル110は、図10の中央列に示すように、燃料極116の活性層350におけるNi凝集の進行の程度が中程度の構成であると考えられる。すなわち、このような単セル110では、活性層350において、平均Ni粒径が極端に大きくも小さくもなく、平均気孔径が極端に大きくも小さくもなく、平均気孔率が極端に高くも低くもない。そのため、このような構成の単セル110では、燃料極116の活性層350におけるガスの流路がある程度広いために燃料極ガス拡散分極Pd(a)が極端に高くならず、かつ、活性層350における反応場としての三層界面がある程度多いために燃料極活性化分極Pa(a)も極端に高くならない。すなわち、このような燃料極ガス拡散分極Pd(a)と燃料極活性化分極Pa(a)とのバランスの良い構成の単セル110では、燃料極ガス拡散分極Pd(a)と燃料極活性化分極Pa(a)との合計が小さくなる。 On the other hand, as in the samples S3 to S9 judged to be acceptable or good, the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) is medium (within the range of 1.0 or more and 4.0 or less). As shown in the central column of FIG. 10, a single cell 110 is considered to have a structure in which the degree of progress of Ni aggregation in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is moderate. That is, in such a single cell 110, in the active layer 350, the average Ni particle size is neither extremely large nor small, the average pore diameter is neither extremely large nor small, and the average porosity is extremely high or low. do not have. Therefore, in the single cell 110 having such a configuration, the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) does not become extremely high because the gas flow path in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is wide to some extent, and the active layer 350. Since there are a certain number of three-layer interfaces as reaction fields in the fuel electrode activation polarization Pa (a), the fuel electrode activation polarization Pa (a) does not become extremely high. That is, in the single cell 110 having a well-balanced configuration of the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) and the fuel electrode activation polarization Pa (a), the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a) and the fuel electrode activation are activated. The sum with the polarization Pa (a) becomes smaller.

以上の性能評価結果によれば、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が1.0以上、4.0以下である単セル110では、トレードオフの関係にある燃料極活性化分極Pa(a)の低減と燃料極ガス拡散分極Pd(a)の低減とをバランス良く実現することによって単セル110のη抵抗を低減することができ、単セル110の出力特性を向上させることができると言える。 According to the above performance evaluation results, in the single cell 110 in which the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) is 1.0 or more and 4.0 or less, the fuel electrode activation polarization has a trade-off relationship. By achieving a good balance between the reduction of Pa (a) and the reduction of the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a), the η resistance of the single cell 110 can be reduced, and the output characteristics of the single cell 110 can be improved. It can be said that it can be done.

また、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が1.7以上、2.5以下である単セル110では、燃料極活性化分極Pa(a)の低減と燃料極ガス拡散分極Pd(a)の低減とをさらにバランス良く実現することによって単セル110のη抵抗をさらに効果的に低減することができ、単セル110の出力特性をさらに効果的に向上させることができると言える。 Further, in the single cell 110 in which the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) is 1.7 or more and 2.5 or less, the fuel electrode activation polarization Pa (a) is reduced and the fuel electrode gas diffusion polarization Pd. It can be said that the η resistance of the single cell 110 can be further effectively reduced and the output characteristics of the single cell 110 can be further effectively improved by realizing the reduction of (a) in a more balanced manner.

また、燃料極116の活性層350における平均気孔径が0.55μm以上であり、かつ、活性層350における平均Ni粒径が1.10μm以下である単セル110では、活性層350におけるガスの流路(拡散経路)をバランスよく広くすることができ、かつ、活性層350における反応場としての三層界面をバランスよく多くすることができるため、燃料極活性化分極Pa(a)の低減と燃料極ガス拡散分極Pd(a)の低減とをバランス良く実現することによって単セル110のη抵抗を低減することができ、単セル110の出力特性を向上させることができる。 Further, in the single cell 110 in which the average pore diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is 0.55 μm or more and the average Ni particle size in the active layer 350 is 1.10 μm or less, the gas flow in the active layer 350. Since the path (diffusion path) can be widened in a well-balanced manner and the three-layer interface as a reaction field in the active layer 350 can be increased in a well-balanced manner, the fuel electrode activation polarization Pa (a) can be reduced and the fuel can be increased. By achieving the reduction of the polar gas diffusion polarization Pd (a) in a well-balanced manner, the η resistance of the single cell 110 can be reduced, and the output characteristics of the single cell 110 can be improved.

A-6.単セル110の分析方法:
A-6-1.単セル110の各分極成分の特定方法:
単セル110の各分極成分(燃料極活性化分極Pa(a)、空気極活性化分極Pa(c)、燃料極ガス拡散分極Pd(a))の特定方法は、例えば以下の通りである。なお、上述したように、本実施形態の単セル110は燃料極支持型であるため、空気極ガス拡散分極Pd(c)は無視できる程度に小さい。
A-6. Analysis method of single cell 110:
A-6-1. Method for identifying each polarization component of the single cell 110:
The method for specifying each polarization component of the single cell 110 (fuel electrode activated polarization Pa (a), air electrode activated polarization Pa (c), fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a)) is, for example, as follows. As described above, since the single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode support type, the air electrode gas diffusion polarization Pd (c) is so small that it can be ignored.

まず、単セル110の一部を切り出し、性能評価および分析用のサンプルを用意する。このサンプルに対して、ポテンショ/ガルバノスタットとインピーダンスアナライザとを用い、以下の条件にて交流インピーダンス測定を行い、インピーダンススペクトルを得た。
・発電運転温度:700℃
・開回路電圧(OCV)基準
・測定周波数帯:0.1Hz~100,000Hz(0.1MHz)
・AC振幅:10mV
・ガス温度:(空気極側)酸素20vol%と窒素80vol%の混合ガス
(燃料極側)水素96vol%と水蒸気4vol%の混合ガス
First, a part of the single cell 110 is cut out, and a sample for performance evaluation and analysis is prepared. For this sample, AC impedance measurement was performed under the following conditions using a potentiometer / galvanostat and an impedance analyzer to obtain an impedance spectrum.
・ Power generation operating temperature: 700 ℃
・ Open circuit voltage (OCV) standard ・ Measurement frequency band: 0.1Hz-100,000Hz (0.1MHz)
・ AC amplitude: 10 mV
-Gas temperature: (air electrode side) A mixed gas of 20 vol% oxygen and 80 vol% nitrogen
(Fuel electrode side) A mixed gas of 96 vol% hydrogen and 4 vol% water vapor

次に、得られたインピーダンススペクトルを、図11に示す等価回路に合わせこむことにより、IR抵抗(R0)に加えて、各分極成分の抵抗値(R1,R2,R3)を得る。このようにインピーダンススペクトルを等価回路に合わせこみ、各分極成分を特定する手法を等価回路解析と言う。図11の等価回路におけるL1は、測定装置とサンプルとの間の電気的接続により生じるインダクタンスである。また、R0は、単セル110を構成する各層(電解質層112、燃料極116、空気極114)が有する抵抗値、および、各層間の界面抵抗値である。また、R1は、燃料極活性化分極Pa(a)であり、R2は、空気極活性化分極Pa(c)であり、R3は、燃料極ガス拡散分極Pd(a)である。なお、C1,C2,C3は、それぞれ、燃料極活性化分極Pa(a)、空気極活性化分極Pa(c)、燃料極ガス拡散分極Pd(a)に対応する容量成分である。 Next, by matching the obtained impedance spectrum with the equivalent circuit shown in FIG. 11, the resistance values (R1, R2, R3) of each polarization component are obtained in addition to the IR resistance (R0). The method of matching the impedance spectrum to the equivalent circuit and specifying each polarization component in this way is called equivalent circuit analysis. L1 in the equivalent circuit of FIG. 11 is the inductance generated by the electrical connection between the measuring device and the sample. Further, R0 is a resistance value possessed by each layer (electrolyte layer 112, fuel electrode 116, air electrode 114) constituting the single cell 110, and an interfacial resistance value between the layers. Further, R1 is the fuel electrode activated polarization Pa (a), R2 is the air electrode activated polarization Pa (c), and R3 is the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a). Note that C1, C2, and C3 are capacitive components corresponding to the fuel electrode activated polarization Pa (a), the air electrode activated polarization Pa (c), and the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a), respectively.

等価回路解析において、f=1/(2πRC)により表される円弧の頂点周波数fが、
(1)21Hz未満の時の抵抗値を、燃料極ガス拡散分極Pd(a)とし、
(2)21Hz以上、510Hz未満の時の抵抗値を、空気極活性化分極Pa(c)とし、
(3)510Hz以上の時の抵抗値を、燃料極活性化分極Pa(a)とする。
In the equivalent circuit analysis, the vertex frequency f of the arc represented by f = 1 / (2πRC) is
(1) The resistance value when the voltage is lower than 21 Hz is defined as the fuel electrode gas diffusion polarization Pd (a).
(2) The resistance value at 21 Hz or higher and lower than 510 Hz is defined as the air electrode activation polarization Pa (c).
(3) The resistance value at 510 Hz or higher is defined as the fuel electrode activation polarization Pa (a).

A-6-2.燃料極116の活性層350の各特性の特定方法:
(活性層350の特定方法)
燃料極116における活性層350の特定方法は、例えば以下の通りである。反応ガス(酸化剤ガスOGまたは燃料ガスFG)の流れ方向(図2に示すように本実施形態では酸化剤ガスOGの流れ方向はX軸方向であり、燃料ガスFGの流れ方向はY軸方向である)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、反応ガス(酸化剤ガスOGまたは燃料ガスFG)の流れ方向に略直交する断面(燃料極116と電解質層112と空気極114とが積層されている方向に平行な断面であり、図4に示すように本実施形態ではZ軸方向に平行な断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、燃料極116の活性層350が写ったFIB-SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(例えば5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。各SEM画像は、例えば、活性層350の上下方向における全体が確認できる画像であって、電解質層112と燃料極116との境界B1(図6参照)と推測される部分が、当該画像を上下方向に10等分に分割して得られる10個の分割領域の内、最も上の分割領域内に位置し、活性層350と支持層360との境界B2(図6参照)と推測される部分、あるいは、燃料極116の下端が、最も下の分割領域内に位置している画像である。
A-6-2. Method for identifying each characteristic of the active layer 350 of the fuel electrode 116:
(Method of specifying active layer 350)
The method for specifying the active layer 350 in the fuel electrode 116 is, for example, as follows. Flow direction of reaction gas (oxidizer gas OG or fuel gas FG) (As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the flow direction of the oxidant gas OG is the X-axis direction, and the flow direction of the fuel gas FG is the Y-axis direction. A cross section (fuel electrode 116, electrolyte layer 112, and air electrode 114) substantially orthogonal to the flow direction of the reaction gas (oxidant gas OG or fuel gas FG) is laminated at any three positions arranged along the line. As shown in FIG. 4, a cross section parallel to the Z-axis direction) is set, and the active layer 350 of the fuel electrode 116 is shown at any three points of each cross section. An SEM image (for example, 5000 times) in FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) is obtained. That is, nine SEM images are obtained. Each SEM image is, for example, an image in which the entire active layer 350 can be confirmed in the vertical direction, and a portion presumed to be the boundary B1 (see FIG. 6) between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 vertically views the image. Of the 10 divided regions obtained by dividing into 10 equal parts in the direction, the portion located in the uppermost divided region and presumed to be the boundary B2 (see FIG. 6) between the active layer 350 and the support layer 360. Or, it is an image in which the lower end of the fuel electrode 116 is located in the lowermost divided region.

電解質層112と燃料極116との境界B1は、上記各SEM画像において、電解質層112と燃料極116との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、燃料極116における活性層350と支持層360との境界B2は、上記各SEM画像において、活性層350と支持層360とのNiの含有率、平均Ni粒径や気孔率の相違等に基づき特定することができる。境界B1と境界B2とを特定することにより、燃料極116の活性層350を特定することができる。 The boundary B1 between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 can be specified in each of the above SEM images based on the difference in the constituent substances between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, visual recognition, and the like. Further, the boundary B2 between the active layer 350 and the support layer 360 in the fuel electrode 116 has a difference in the Ni content, the average Ni particle size, the porosity, etc. between the active layer 350 and the support layer 360 in each of the above SEM images. Can be specified based on. By specifying the boundary B1 and the boundary B2, the active layer 350 of the fuel electrode 116 can be specified.

(燃料極116の活性層350における平均Ni粒径の特定方法)
燃料極116の活性層350における平均Ni粒径の特定方法は、例えば以下の通りである。なお、平均Ni粒径を特定する際には、還元後の活性層350を用いることが好ましい。上記各SEM画像において、上下方向に直交する複数の直線を所定の間隔(例えば1μmから5μm間隔)で引く。ここで、活性層350内におけるNi粒子とYSZ粒子と気孔との識別は、例えば、各SEM画像における明暗差を用いて行うことができる。具体的には、各SEM画像を解析することにより、各SEM画像を、明度に応じた3つの領域に分類することができる。各直線上のNiにあたる各部分の長さを測定し、Niにあたる各部分の長さの平均値に所定の係数を乗算した値(具体的には、水谷惟恭著「セラミックプロセシング」(技報堂出版)のp.192-195の記載を参考に、Niを球形と考えて平均値に係数1.5を乗算した値)を、当該線上におけるNiの粒子径とする。活性層350に引かれた複数の直線におけるNiの粒子径の平均値を、活性層350における平均Ni粒径とする。
(Method of specifying the average Ni particle size in the active layer 350 of the fuel electrode 116)
The method for specifying the average Ni particle size in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is, for example, as follows. When specifying the average Ni particle size, it is preferable to use the reduced active layer 350. In each of the above SEM images, a plurality of straight lines orthogonal to the vertical direction are drawn at predetermined intervals (for example, 1 μm to 5 μm intervals). Here, the distinction between Ni particles, YSZ particles, and pores in the active layer 350 can be performed, for example, by using the difference in brightness in each SEM image. Specifically, by analyzing each SEM image, each SEM image can be classified into three regions according to the brightness. The length of each part corresponding to Ni on each straight line is measured, and the average value of the lengths of each part corresponding to Ni is multiplied by a predetermined coefficient (specifically, "Ceramic Processing" by Satoshi Mizutani (Gihodo Publishing)). With reference to the description on p.192-195 of the above, Ni is considered to be spherical, and the average value multiplied by a coefficient of 1.5) is defined as the particle size of Ni on the line. The average value of the Ni particle diameters in the plurality of straight lines drawn on the active layer 350 is taken as the average Ni particle size in the active layer 350.

(燃料極116の活性層350における平均気孔径の特定方法)
燃料極116の活性層350における平均気孔径の特定方法は、例えば以下の通りである。上述した平均Ni粒径の特定方法と同様に、上記各SEM画像において、上下方向に直交する複数の直線を所定の間隔(例えば1μmから5μm間隔)で引き、各直線上の気孔にあたる各部分の長さを測定し、気孔にあたる各部分の長さの平均値に所定の係数を乗算した値(具体的には、上記Ni粒径と同様に、気孔を球形と考えて平均値に係数1.5を乗算した値)を、当該線上における気孔径とする。活性層350に引かれた複数の直線における気孔径の平均値を、活性層350における平均気孔径とする。
(Method of specifying the average pore diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116)
The method for specifying the average pore diameter in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is, for example, as follows. Similar to the above-mentioned method for specifying the average Ni particle size, in each of the above SEM images, a plurality of straight lines orthogonal to the vertical direction are drawn at predetermined intervals (for example, at intervals of 1 μm to 5 μm), and each portion corresponding to the pores on each straight line is drawn. A value obtained by measuring the length and multiplying the average value of the lengths of the parts corresponding to the pores by a predetermined coefficient (specifically, as in the case of the above Ni particle diameter, the pores are considered to be spherical and the average value is multiplied by a coefficient 1. The value obtained by multiplying by 5) is taken as the pore diameter on the line. The average value of the pore diameters in the plurality of straight lines drawn on the active layer 350 is taken as the average pore diameter in the active layer 350.

(燃料極116の活性層350における平均気孔率の特定方法)
燃料極116の活性層350における平均気孔率の特定方法は、例えば以下の通りである。上述したNiの平均粒径の特定方法と同様に、上記各SEM画像において、上下方向に直交する複数の直線を所定の間隔(例えば1μmから5μm間隔)で引き、各直線上の気孔にあたる各部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。活性層350に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を、活性層350における平均気孔率とする。
(Method of specifying the average porosity in the active layer 350 of the fuel electrode 116)
The method for specifying the average porosity in the active layer 350 of the fuel electrode 116 is as follows, for example. Similar to the above-mentioned method for specifying the average particle size of Ni, in each of the above SEM images, a plurality of straight lines orthogonal to the vertical direction are drawn at predetermined intervals (for example, at intervals of 1 μm to 5 μm), and each portion corresponding to the pores on each straight line. The ratio of the total length of each portion corresponding to the pores to the total length of the straight line is taken as the porosity on the line. The average value of the porosity in the plurality of straight lines drawn by the active layer 350 is taken as the average porosity in the active layer 350.

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、燃料極116は、活性層350と支持層360との二層構成であるとしているが、燃料極116は、活性層350および支持層360以外の他の層を含むとしてもよいし、単層構成であるとしてもよい。なお、燃料極116とは、燃料電池のアノード反応の活性を有する部分と、該部分に接すると共に燃料ガスFGが内部を通る部分との集合を意味する。また、空気極114とは、燃料電池のカソード反応の活性を有する部分と、該部分に接すると共に酸化剤ガスOGが内部を通る部分との集合を意味する。 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 fuel pole 116 has a two-layer structure of the active layer 350 and the support layer 360, but the fuel pole 116 includes layers other than the active layer 350 and the support layer 360. It may be a single layer structure. The fuel electrode 116 means an assembly of a portion having the activity of the anode reaction of the fuel cell and a portion in contact with the portion and through which the fuel gas FG passes through the inside. Further, the air electrode 114 means an assembly of a portion having the activity of the cathode reaction of the fuel cell and a portion in contact with the portion and through which the oxidant gas OG passes through the inside.

また、上記実施形態において、電解質層112と空気極114との間に、例えばセリアを含む反応防止層が設けられていてもよい。そのような構成の場合には、上述したIR抵抗成分に、反応防止層の抵抗値や反応防止層と他の層との界面抵抗値が含まれることとなる。 Further, in the above embodiment, a reaction prevention layer containing, for example, ceria may be provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. In the case of such a configuration, the IR resistance component described above includes the resistance value of the reaction prevention layer and the interfacial resistance value between the reaction prevention layer and another layer.

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。なお、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、分極比Pd(a)/Pa(a)の値が1.0以上、4.0以下の範囲内にある等の条件が満たされる必要はなく、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について該条件が満たされれば、該単セル110について、η抵抗を低減して出力特性を向上させることができると言える。 Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is only an example, and the number of single cells 110 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100. In the above embodiment, the values of the polarization ratios Pd (a) / Pa (a) are always in the range of 1.0 or more and 4.0 or less for all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100. Etc. are not required, and if the conditions are satisfied for at least one single cell 110 included in the fuel cell stack 100, the η resistance can be reduced and the output characteristics of the single cell 110 can be improved. It can be said that it can be done.

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、燃料極116に含まれる遷移元素として、Niを採用しているが、Mn、Fe、Co、Cu等の他の遷移元素を利用可能である。ただし、Niは比較的安価で水素との親和性が高いため、燃料極116に含まれる遷移元素としてNiを採用することが好ましい。また、燃料極116は、必ずしも遷移元素を含まなくてもよい。 Further, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of another material. For example, in the above embodiment, Ni is adopted as the transition element contained in the fuel electrode 116, but other transition elements such as Mn, Fe, Co, and Cu can be used. However, since Ni is relatively inexpensive and has a high affinity for hydrogen, it is preferable to use Ni as the transition element contained in the fuel electrode 116. Further, the fuel electrode 116 does not necessarily have to contain a transition element.

また、上記実施形態では、燃料極116の厚さが空気極114や電解質層112の厚さより厚く、燃料極116が単セル110を構成する他の層を支持する燃料極支持型の単セル110を対象として説明したが、本発明は、空気極114の厚さが燃料極116や電解質層112の厚さより厚く、空気極114が単セル110を構成する他の層を支持する空気極支持型の単セル110にも適用可能である。この場合には、空気極活性化分極Pa(c)に対する空気極ガス拡散分極Pd(c)の比(分極比)に注目し、該分極比Pd(c)/Pa(c)の値が1.0以上、4.0以下の範囲内であれば、空気極活性化分極Pa(c)の低減と空気極ガス拡散分極Pd(c)の低減とをバランス良く実現することによって単セル110のη抵抗を低減することができ、単セル110の出力特性を向上させることができる。なお、この場合には、空気極114が特許請求の範囲における特定電極に相当する。 Further, in the above embodiment, the fuel electrode 116 is thicker than the air electrode 114 and the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 supports the other layers constituting the single cell 110. The fuel electrode support type single cell 110 However, the present invention has an air electrode support type in which the thickness of the air electrode 114 is thicker than the thickness of the fuel electrode 116 and the electrolyte layer 112, and the air electrode 114 supports other layers constituting the single cell 110. It is also applicable to the single cell 110 of. In this case, pay attention to the ratio (polarization ratio) of the air electrode gas diffusion polarization Pd (c) to the air electrode activation polarization Pa (c), and the value of the polarization ratio Pd (c) / Pa (c) is 1. Within the range of 0.0 or more and 4.0 or less, the single cell 110 can be achieved by achieving a good balance between the reduction of the air electrode activation polarization Pa (c) and the reduction of the air electrode gas diffusion polarization Pd (c). The η resistance can be reduced and the output characteristics of the single cell 110 can be improved. In this case, the air electrode 114 corresponds to the specific electrode in the claims.

また、上記実施形態では、燃料電池スタック100は複数の平板形の単セル110が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第2012/165409号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。 Further, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 has a configuration in which a plurality of flat plate-shaped single cells 110 are laminated, but the present invention is described in another configuration, for example, International Publication No. 2012/165409. As described above, it is similarly applicable to a configuration in which a plurality of substantially cylindrical fuel cell single cells are connected in series.

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号公報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、各電解単セル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においても、上述した分極比Pd(a)/Pa(a)の値が1.0以上、4.0以下の範囲内にある等の条件が満たされれば、η抵抗を低減して出力特性を向上させることができる。 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 present invention relates to an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known, 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 the composition of. 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, 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 single cell having such a configuration, if the above-mentioned conditions such as the value of the polarization ratio Pd (a) / Pa (a) being in the range of 1.0 or more and 4.0 or less are satisfied, η The resistance can be reduced and the output characteristics can be improved.

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

22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102: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 350:活性層 360:支持層 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: Oxidizing 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 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 350: Active layer 360: Support layer

Claims (4)

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、
運転開始前において、前記電気化学反応単セルの分極成分を、開回路電圧基準で、測定周波数帯:0.1Hz~0.1MHz、AC振幅:10mV、温度:700℃、使用ガス:前記空気極側は酸素20vol%、窒素80vol%の混合ガス、前記燃料極側は水素96vol%、水蒸気4vol%の混合ガスという条件による交流インピーダンス測定の結果に基づく等価回路解析により、前記燃料極におけるガスのイオン化反応の抵抗値である燃料極の活性化分極(Ω)と、前記空気極におけるガスのイオン化反応の抵抗値である空気極の活性化分極(Ω)と、前記燃料極と前記空気極との内の前記第1の方向の厚さが厚い方である特定電極におけるガス拡散の抵抗値であるガス拡散分極(Ω)と、の3つの抵抗成分に分けたときの前記特定電極の前記活性化分極Paに対する前記ガス拡散分極Pdの比(Pd/Pa)が、1.0以上、4.0以下であり、
前記特定電極は、燃料極であり、
前記燃料極は、第1の燃料極層と、前記第1の燃料極層と前記電解質層との間に配置される第2の燃料極層と、を含み、
前記燃料極は、NiとYSZとからなり、
前記第1の燃料極層の気孔率は、前記第2の燃料極層の気孔率より高いことを特徴とする、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.
Before the start of operation, the polarization component of the electrochemical reaction single cell is measured based on the open circuit voltage, measurement frequency band: 0.1 Hz to 0.1 MHz, AC amplitude: 10 mV , temperature: 700 ° C., gas used: said air electrode. Ionization of gas at the fuel electrode by equivalent circuit analysis based on the result of AC impedance measurement under the condition that the mixed gas of oxygen 20 vol% and nitrogen 80 vol% on the side and the mixed gas of hydrogen 96 vol% and water vapor 4 vol% on the fuel electrode side . The activation polarization (Ω) of the fuel electrode, which is the resistance value of the reaction, the activation polarization (Ω) of the air electrode, which is the resistance value of the gas ionization reaction at the air electrode, and the fuel electrode and the air electrode. The activation of the specific electrode when divided into three resistance components, gas diffusion polarization (Ω), which is the resistance value of gas diffusion in the specific electrode having the thicker thickness in the first direction. The ratio (Pd / Pa) of the gas diffusion polarization Pd to the polarization Pa is 1.0 or more and 4.0 or less.
The specific electrode is a fuel electrode and
The fuel electrode includes a first fuel electrode layer and a second fuel electrode layer disposed between the first fuel electrode layer and the electrolyte layer.
The fuel electrode is composed of Ni and YSZ.
An electrochemical reaction single cell characterized in that the porosity of the first fuel electrode layer is higher than the porosity of the second fuel electrode layer.
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記第2の燃料極層は、遷移金属を含み、
前記第2の燃料極層における平均気孔径は、0.55μm以上であり、
前記第2の燃料極層における前記遷移金属の平均粒径は、1.10μm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 claim 1,
The second fuel electrode layer contains a transition metal and contains
The average pore diameter in the second fuel electrode layer is 0.55 μm or more, and is
An electrochemical reaction single cell characterized in that the average particle size of the transition metal in the second fuel electrode layer is 1.10 μm or less.
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、
前記特定電極の前記活性化分極Paに対する前記ガス拡散分極Pdの比(Pd/Pa)が、1.7以上、2.5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 claim 1 or 2.
An electrochemical reaction single cell, wherein the ratio (Pd / Pa) of the gas diffusion polarization Pd to the activation polarization Pa of the specific electrode is 1.7 or more and 2.5 or less.
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3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.
The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell.
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