JP7096643B2 - Electrochemical reaction unit 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、電気化学反応単位に関する。 The techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction units.
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発電単位(以下、「発電単位」という)は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)を備える。単セルは、電解質層と、電解質層に対して所定の方向(以下、「第1の方向」という)の一方側に配置された空気極と、電解質層に対して第1の方向の他方側に配置された燃料極とを含む。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of the fuel cells that generate power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell power generation unit (hereinafter referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of the SOFC, includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”). The single cell has an electrolyte layer, an air electrode arranged on one side in a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction") with respect to the electrolyte layer, and the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer. Includes fuel poles located in.
また、発電単位は、燃料極に対して第1の方向の上記他方側に配置された導電性の集電体を備える。集電体は、単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。集電体は、燃料極における第1の方向の上記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する。発電運転時には、燃料極の該表面と集電体の各集電部とが導通する部分において、燃料極と集電体との間の電子のやりとりが行われる。また、燃料極に面する燃料室に供給された燃料ガスは、燃料極の該表面の内、集電体の各集電部と対向しない(各集電部に覆われていない)部分から燃料極内に流入する。 Further, the power generation unit includes a conductive current collector arranged on the other side of the fuel electrode in the first direction. The current collector is a member for extracting electric power generated by a power generation reaction in a single cell. The current collector has a plurality of current collectors conducting on the other side surface of the fuel electrode in the first direction. During power generation operation, electrons are exchanged between the fuel electrode and the current collector at a portion where the surface of the fuel electrode and each current collector of the current collector conduct with each other. Further, the fuel gas supplied to the fuel chamber facing the fuel electrode is fueled from a portion of the surface of the fuel electrode that does not face each current collector portion of the current collector (not covered by each current collector portion). It flows into the pole.
従来、発電単位の性能を向上させるため、燃料極の厚さ(第1の方向における厚さ)の好ましい範囲が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in order to improve the performance of a power generation unit, a preferable range of the thickness of the fuel electrode (thickness in the first direction) has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかし、従来のように燃料極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、発電単位の性能を十分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。 However, it is not possible to sufficiently improve the performance of the power generation unit only by considering the preferable range of the thickness of the fuel electrode as in the conventional case, and there is room for further performance improvement.
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という)の構成単位である電解セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。 It should be noted that such a problem is also common to the electrolytic cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. Is. In this specification, the fuel cell power generation unit and the electrolytic cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit.
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位は、電解質層と、前記電解質層に対して第1の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層に対して前記第1の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える電気化学反応単セルと、前記燃料極に対して前記第1の方向の前記他方側に配置され、前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する導電性の集電体と、を備える電気化学反応単位において、前記燃料極における前記集電体側の部分の気孔率は、35%以上であり、前記複数の集電部の内の少なくとも1つである特定集電部について、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記特定集電部と前記特定集電部の隣に位置する前記集電部との間の最短距離αに対する、前記第1の方向における前記燃料極の厚さβの比である第1の比率(β/α)は、0.20以上である。本電気化学反応単位では、燃料極における集電体側の部分の気孔率が35%以上であるため、ガスを燃料極内に良好に進入させることができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、燃料極の厚さβがある程度厚く、および/または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、燃料極における反応場(電解質層側の部分)で発生した電子が第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って移動するときに、燃料極における反応場の内、そこで発生した電子が集電体の集電部に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって電気化学反応単位の性能を向上させることができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (1) The electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, an air electrode arranged on one side in the first direction with respect to the electrolyte layer, and the first with respect to the electrolyte layer. An electrochemical reaction single cell comprising a fuel electrode arranged on the other side of the direction of the fuel electrode, and the first direction of the fuel electrode arranged on the other side of the first direction with respect to the fuel electrode. In an electrochemical reaction unit comprising a conductive current collector having a plurality of current collectors conducting on the other side surface of the fuel electrode, the pore ratio of the collector-side portion of the fuel electrode is 35% or more. The specific current collector, which is at least one of the plurality of collectors, is next to the specific collector and the specific collector in the second direction orthogonal to the first direction. The first ratio (β / α), which is the ratio of the thickness β of the fuel electrode in the first direction to the shortest distance α between the positioned current collector, is 0.20 or more. In this electrochemical reaction unit, since the porosity of the part on the collector side of the fuel electrode is 35% or more, the gas can be satisfactorily penetrated into the fuel electrode, and the increase in gas diffusion polarization can be suppressed. can. Further, since the electrochemical reaction unit has a structure in which the thickness β of the fuel electrode is thick to some extent and / or the shortest distance α between the current collector and the current collector of the current collector is short to some extent, the fuel is used. When the electrons generated in the reaction field at the pole (the part on the electrolyte layer side) move along a direction in which the inclination with respect to the first direction is within a certain range, the electrons generated there are collected in the reaction field at the fuel pole. It is possible to reduce the region where it is difficult to reach the current collecting part of the electric body, and it is possible to improve the performance of the electrochemical reaction unit by suppressing the increase in the activation polarization. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.
(2)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第2の方向における前記特定集電部の前記燃料極に対向する部分の幅γに対する、前記第1の方向における前記燃料極の厚さβの比である第2の比率(β/γ)は、0.06以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位は、燃料極の厚さβがある程度厚く、および/または、集電体の集電部の幅γがある程度狭い構成であるため、燃料極内に流入した燃料ガスが第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って流れるときに、燃料極における反応場の内、燃料ガスが到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, for the specific current collector, the fuel electrode in the first direction with respect to the width γ of the portion of the specific current collector facing the fuel electrode in the second direction. The second ratio (β / γ), which is the ratio of the thickness β of, may be 0.06 or more. Since the present electrochemical reaction unit has a structure in which the thickness β of the fuel electrode is thick to some extent and / or the width γ of the current collecting portion of the current collector is narrow to some extent, the fuel gas flowing into the fuel electrode is the first. When the inclination with respect to the direction of the fuel flows along a certain range of directions, the region of the reaction field at the fuel electrode where the fuel gas is difficult to reach can be reduced, and the increase in gas diffusion polarization can be suppressed. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.
(3)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.40以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、燃料極の厚さβをより厚くする、および/または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αをより短くすることができるため、燃料極における反応場の内、そこで発生した電子が集電体の集電部に到達しにくい領域をさらに効果的に減らすことができ、活性化分極の増大をさらに効果的に抑制することによって電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。 (3) In the electrochemical reaction unit, the first ratio (β / α) of the specific current collector may be 0.40 or more. According to this electrochemical reaction unit, the thickness β of the fuel electrode can be made thicker, and / or the shortest distance α between the current collectors of the current collector can be made shorter. By further effectively reducing the region of the reaction field at the fuel electrode where the electrons generated there are difficult to reach the current collector of the current collector, and by further effectively suppressing the increase in activated polarization. The performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved.
(4)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第2の比率(β/γ)は、0.50以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、燃料極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の集電部の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、ガス拡散分極の増大や応力集中による燃料極の破損を抑制することによって電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, the second ratio (β / γ) of the specific current collector may be 0.50 or less. According to this electrochemical reaction unit, it is possible to suppress that the thickness β of the fuel electrode becomes excessively thick, and / or it is possible to suppress that the width γ of the current collecting portion of the current collector becomes excessively narrow. The performance of the electrochemical reaction unit can be effectively improved by suppressing the increase in gas diffusion polarization and the damage of the fuel electrode due to stress concentration.
(5)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.60以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、燃料極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制できる。第1の燃料極層の厚さβが過度に厚くなることを抑制することにより、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。また、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制することにより、流路が狭くなることによるガスの圧力損失の増大が抑制され、セル面内に均一にガスが分配される。以上のことにより、電気化学反応単位の性能をより一層効果的に向上させることができる。 (5) In the electrochemical reaction unit, the first ratio (β / α) of the specific current collector may be 0.60 or less. According to this electrochemical reaction unit, it is possible to prevent the thickness β of the fuel electrode from becoming excessively thick, and / or the shortest distance α between the current collectors of the current collector is excessive. It can suppress shortening. By suppressing the thickness β of the first fuel electrode layer from becoming excessively thick, it is possible to suppress an increase in gas diffusion polarization. Further, by suppressing the shortest distance α between the current collector and the current collector of the current collector from becoming excessively short, the increase in gas pressure loss due to the narrowing of the flow path is suppressed, and the cell is suppressed. The gas is evenly distributed in the plane. From the above, the performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved.
(6)上記電気化学反応単位において、前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記燃料極における前記第1の方向の前記一方側の部分の気孔率より高い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、反応場(三相界面長さ)を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。 (6) In the electrochemical reaction unit, the porosity of the other side portion of the fuel electrode in the first direction is higher than the porosity of the one side portion of the fuel electrode in the first direction. It may be configured. According to this electrochemical reaction unit, it is possible to suppress an increase in gas diffusion polarization while ensuring a reaction field (three-phase interface length).
(7)上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の発電性能を向上させることができる。 (7) In the electrochemical reaction unit, the electrochemical reaction single cell may be configured to be a fuel cell single cell. According to this electrochemical reaction unit, the power generation performance of the electrochemical reaction unit can be 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、電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit), and electricity having a plurality of electrochemical reaction units. It can be realized in the form of a chemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a method for manufacturing them, and the like.
A.実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、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(および後述する図6,7)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(および後述する図6,7)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
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
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 (
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
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
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
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
(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
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。図4の下部には、発電単位102の一部分のXZ断面構成が拡大して示されている。また、図6は、図4のVI-VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4のVII-VIIの位置における発電単位102のXY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
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
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
単セル110は、電解質層112と、電解質層112の上下方向(第1の方向)の一方側(上側)に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112の上下方向の他方側(下側)に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層180)を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
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。すなわち、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
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、多孔質な層である。空気極114は、例えば、LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)等のペロブスカイト型酸化物を含むように形成されている。
The
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、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。なお、本実施形態では、燃料極116の気孔率は、Z軸方向に平行な方向において概ね一様であるが、Z軸方向において異なり得る。例えば、燃料極116における下側(電解質層112から離れた側)の部分の気孔率(後述の燃料極116における集電体側部分の気孔率RO1)は、燃料極116における上側(電解質層112に近い側)の部分の気孔率(後述の燃料極116における電解質層側部分の気孔率RO2)より高い。このような構成によれば、反応場(三相界面長さ)を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。燃料極116における上記下側の部分の気孔率(気孔率RO1)は、ガス拡散性を確保するためにある程度高いことが好ましい。具体的には、燃料極116における上記下側の部分の気孔率(気孔率RO1)は、35%以上であることが好ましく、55%以下であることが好ましい。また、燃料極116における上記上側の部分の気孔率(気孔率RO2)は、10%以上であることが好ましく、30%以下であることが好ましい。
The
中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、GDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように形成されている。中間層180は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO3)が生成されることを抑制する。
The
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
図4~6に示すように、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。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air
図4,5,7に示すように、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。
As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel
図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内(より詳細には、燃料極116の下側)に配置されている。燃料極側集電体144は、導電性を有し、かつ、ガス透過性を有さない部材であり、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。
As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel pole side
燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、複数の電極対向部145と、各電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えている。図7における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体144は、略矩形の平板部材(例えばニッケル箔)に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴OPが開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図7における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。
The fuel electrode side
各電極対向部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いる。すなわち、各電極対向部145は、燃料極116における下側の表面に導通している。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。燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における集電体に相当し、複数の電極対向部145は、特許請求の範囲における複数の集電部に相当する。
Each
図4~6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side
また、図4および図5に示すように、空気極側集電体134(集電体要素135)の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、例えば、スピネル型酸化物により形成されている。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(集電体要素135)」を意味する。なお、図6では、コート136の図示を省略している。また、図4および図5に示すように、空気極114と空気極側集電体134(集電体要素135)とは、導電性を有する接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、スピネル型酸化物により形成されている。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。
Further, as shown in FIGS. 4 and 5, the surface of the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) is covered with a
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
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
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
A-3.性能評価:
本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102は、燃料極116と燃料極側集電体144の電極対向部145との関係に特徴がある。以下、燃料極116と燃料極側集電体144の電極対向部145との関係に関して行った性能評価について説明する。
A-3. Performance evaluation:
Each
(各パラメータについて)
図4に示すように、本性能評価では、Z軸方向における燃料極116の厚さを、「燃料極厚さβ」という。なお、燃料極116の厚さが一様ではない場合には、燃料極厚さβは、燃料極116(ただし、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する部分)における最薄部の厚さとする。
(For each parameter)
As shown in FIG. 4, in this performance evaluation, the thickness of the
また、燃料極側集電体144の各電極対向部145における燃料極116に対向する部分(燃料極116に接触する部分)の幅(Z軸方向に直交する方向の大きさ)を、「集電部幅γ」という。
Further, the width (the size in the direction orthogonal to the Z-axis direction) of the portion facing the fuel pole 116 (the portion in contact with the fuel pole 116) in each
なお、集電部幅γの特定は、図8および図9に示すように、燃料極側集電体144の電極対向部145のXY断面において、電極対向部145の外周線に4点(P1~P4)以上で内接する仮想楕円VEを設定したときの、該仮想楕円VEの短径Amを含み、かつ、Z軸方向に平行な断面SE1(図8および図9の例ではYZ断面)において行うものとする。
As shown in FIGS. 8 and 9, four points (P1) are specified on the outer peripheral line of the
また、上記断面SE1における集電部幅γの測定位置は、燃料極116(ただし、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する部分)における最薄部の下端位置から、下方に距離Lx(=10μm)だけ離れた位置とする。例えば、図4に示すように、燃料極116の厚さが略一様である構成では、集電部幅γは、上記断面SE1(図4の例ではXZ断面)における、燃料極116の下面から距離Lx(=10μm)だけ下方に位置し、かつ、Z軸方向に直交する仮想直線VL1上において特定される。
Further, the measurement position of the current collector width γ in the cross section SE1 is downward from the lower end position of the thinnest portion in the fuel electrode 116 (however, the portion facing the
また、一の電極対向部145とその隣に位置する他の電極対向部145との間の最短距離(Z軸方向に直交する方向における最短距離)を、「集電部間最短距離α」という。集電部間最短距離αは、集電部幅γと同様に、上記断面SE1における上記仮想直線VL1上において特定される(図4参照)。
Further, the shortest distance between one
また、集電部間最短距離αに対する燃料極厚さβの比率(β/α)を、「第1の比率R1」という。第1の比率R1の値が高いことは、集電部間最短距離αの値が小さいこと(すなわち、2つの電極対向部145間の間隔が狭いこと)、および/または、燃料極厚さβの値が大きいことを意味する。また、集電部幅γに対する燃料極厚さβの比率(β/γ)を、「第2の比率R2」という。第2の比率R2の値が高いことは、集電部幅γの値が小さいこと(すなわち、電極対向部145の幅が狭いこと)、および/または、燃料極厚さβの値が大きいことを意味する。
Further, the ratio (β / α) of the fuel extreme thickness β to the shortest distance α between the current collectors is referred to as “first ratio R1”. The high value of the first ratio R1 means that the value of the shortest distance α between the current collectors is small (that is, the distance between the two
(各サンプルについて)
図10は、性能評価結果を示す説明図である。図10に示すように、性能評価に用いられた発電単位102の各サンプル(S1~S14)は、上述した集電部間最短距離α、燃料極厚さβ、および、集電部幅γの値が互いに異なっており、その結果、第1の比率R1および第2の比率R2の値が互いに異なっている。さらに、各サンプルは、燃料極116における燃料極側集電体144に近い側の部分(以下、「集電体側部分」という)の気孔率RO1、および、燃料極116における電解質層112に近い側の部分(以下、「電解質層側部分」という)の気孔率RO2の値が互いに異なっている。図10に示すように、性能評価に用いられたすべてのサンプルにおいて、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1は、燃料極116の電解質層側部の気孔率RO2より高くなっている。気孔率RO1および気孔率RO2の特定方法については、後述する。
(For each sample)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a performance evaluation result. As shown in FIG. 10, each sample (S1 to S14) of the
各サンプルの作製にあたり、燃料極116をNiおよびYSZからなるサーメットにより形成した。また、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1および電解質層側部の気孔率RO2を、原料の粒度を調整したり焼成温度を調整したりすることによって調整した。また、燃料極側集電体144(電極対向部145、インターコネクタ対向部146、連接部147)をNi箔により構成し、スペーサー149をマイカにより構成した。各サンプルについて、電極対向部145等の形状や配置を互いに異ならせることにより、集電部間最短距離αおよび集電部幅γの値を互いに異ならせた。
In preparing each sample, the
(評価方法について)
本性能評価では、発電性能についての評価を行った。具体的には、作製した発電単位102の各サンプルについて、温度:700℃、電流密度:0.55A/cm2の条件における初期電圧を測定し、初期電圧の値に応じて以下のように「A」~「G」の7段階で評価した(「A」が最も優れているという評価であり、「G」が最も劣っているという評価である)。
・評価:「A」・・・初期電圧:0.92V以上
・評価:「B」・・・初期電圧:0.915V以上、0.92V未満
・評価:「C」・・・初期電圧:0.91V以上、0.915V未満
・評価:「D」・・・初期電圧:0.905V以上、0.91V未満
・評価:「E」・・・初期電圧:0.9V以上、0.905V未満
・評価:「F」・・・初期電圧:0.8V以上、0.9V未満
・評価:「G」・・・初期電圧:0.8V未満
(About evaluation method)
In this performance evaluation, the power generation performance was evaluated. Specifically, for each sample of the produced
・ Evaluation: “A” ・ ・ ・ Initial voltage: 0.92V or more ・ Evaluation: “B” ・ ・ ・ Initial voltage: 0.915V or more, less than 0.92V ・ Evaluation: “C” ・ ・ ・ Initial voltage: 0 .91V or more and less than 0.915V ・ Evaluation: “D” ・ ・ ・ Initial voltage: 0.905V or more and less than 0.91V ・ Evaluation: “E” ・ ・ ・ Initial voltage: 0.9V or more and less than 0.905V・ Evaluation: “F” ・ ・ ・ Initial voltage: 0.8V or more, less than 0.9V ・ Evaluation: “G” ・ ・ ・ Initial voltage: Less than 0.8V
(評価結果について)
(サンプルS1について)
図10に示すように、サンプルS1の評価結果は、最も低い「G」評価であった。サンプルS1では、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が20%であり、他のサンプル(いずれも集電体側部分の気孔率RO1が35%以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS1では、燃料室176に供給された燃料ガスFGが燃料極116内に良好に進入せず、燃料極116における反応場(電解質層112側の部分)において燃料ガスFGが不足することによってガス拡散分極が極めて大きくなり、その結果、初期電圧が極めて低くなったものと考えられる。この結果から、発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1は35%以上であることが好ましいと言える。
(About the evaluation result)
(About sample S1)
As shown in FIG. 10, the evaluation result of sample S1 was the lowest "G" evaluation. In sample S1, the porosity RO1 of the current collector side portion of the
(サンプルS2について)
サンプルS2の評価結果は、2番目に低い「F」評価であった。サンプルS2では、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上ではあるものの、第1の比率R1(=β/α)が0.19であり、サンプルS3~S14(いずれも第1の比率R1が0.20以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS2では、以下に説明するように、サンプルS3~S14と比べて初期電圧が低くなったものと考えられる。
(About sample S2)
The evaluation result of sample S2 was the second lowest "F" evaluation. In the sample S2, although the porosity RO1 of the collector side portion of the
図11から図13は、第1の比率R1(=β/α)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。図11から図13には、発電単位102の一部(図4のX1部)のXZ断面構成が示されている。図11に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が大きい。そのため、図11に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、第1の比率R1の値が小さくなっている。また、図12に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極厚さβの値が小さい。そのため、図12に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、第1の比率R1の値が小さくなっている。
11 to 13 are explanatory views conceptually showing the relationship between the first ratio R1 (= β / α) and the power generation performance. 11 to 13 show an XZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102 (X1 part in FIG. 4). In the configuration of the
ここで、燃料極116における反応場Ax0(燃料極116における電解質層112側の部分)での電極反応により発生した電子は、燃料極116内を通過して燃料極側集電体144内に進入するが、燃料極116と燃料極側集電体144との間の電子(e-)のやりとりは、燃料極116の表面の内、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向しない(接しない)部分(すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分)では行われず、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する(接する)部分(すなわち、集電部幅γに対応する部分)で行われる。また、燃料極116における反応場Ax0で発生した電子は、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ1以内の範囲の方向に沿って、燃料極側集電体144に向けて流れる。そのため、図11に示すように集電部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図12に示すように燃料極厚さβの値が比較的小さい構成(すなわち、第1の比率R1の値が比較的小さい構成)では、反応場Ax0の内の一部の領域Ax1で発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくくなることによって活性化分極が大きくなり、その結果、発電単位102の初期電圧が低くなる。
Here, the electrons generated by the electrode reaction in the reaction field Ax0 (the portion of the
これに対し、図13に示す発電単位102の構成では、図11に示す発電単位102の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が小さく、また、図12に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極厚さβの値が大きい。すなわち、図13に示す発電単位102の構成では、図11および図12に示す発電単位102の構成と比較して、第1の比率R1の値が大きい。図13に示す発電単位102の構成では、集電部間最短距離αの値が比較的小さいため、燃料極116の反応場Ax0の内、そこで発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図13に示す発電単位102の構成では、燃料極厚さβの値が比較的大きいため、燃料極116の反応場Ax0で発生した電子の、Z軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。従って、図13に示すように、第1の比率R1の値が比較的大きい構成では、燃料極116の反応場Ax0で発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって初期電圧の低下を抑制することができる。
On the other hand, in the configuration of the
上述したように、第1の比率R1(=β/α)が0.20未満であるサンプルS2の評価結果が、第1の比率R1が0.20以上であるサンプルS3~S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1は0.20以上であることが好ましいと言える。 As described above, the evaluation result of the sample S2 in which the first ratio R1 (= β / α) is less than 0.20 is based on the evaluation result of the samples S3 to S14 in which the first ratio R1 is 0.20 or more. Considering the inferiority, it can be said that the first ratio R1 is preferably 0.20 or more in order to improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the deterioration of the power generation performance).
(サンプルS3,S4について)
サンプルS3,S4の評価結果は、3番目に低い「E」評価であった。サンプルS3,S4では、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(=β/α)が0.20以上であるものの、第2の比率R2(=β/γ)が0.06未満であり、サンプルS5~S14(いずれも第2の比率R2が0.06以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS3,S4では、以下に説明するように、サンプルS5~S14と比べて初期電圧が低くなったものと考えられる。
(About samples S3 and S4)
The evaluation results of the samples S3 and S4 were the third lowest "E" evaluations. In the samples S3 and S4, the porosity RO1 of the collector side portion of the
図14から図16は、第2の比率R2(=β/γ)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。図14から図16には、発電単位102の一部(図4のX1部)のXZ断面構成が示されている。図14に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、集電部幅γの値が大きい。そのため、図14に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、第2の比率R2の値が小さくなっている。また、図15に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極厚さβの値が小さい。そのため、図15に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、第2の比率R2の値が小さくなっている。
14 to 16 are explanatory views conceptually showing the relationship between the second ratio R2 (= β / γ) and the power generation performance. 14 to 16 show an XZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102 (X1 part in FIG. 4). In the configuration of the
ここで、燃料室176に供給された燃料ガスFGは、燃料極116の表面の内、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する(接触する)部分(すなわち、集電部幅γに対応する部分)からは流入せず、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向しない(接触しない)部分(すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分)から燃料極116内に流入する。また、燃料極116内に流入した燃料ガスFGは、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ2以内の範囲の方向に沿って、燃料極116における反応場Ax0(燃料極116における電解質層112側の部分)に向けて流れる。そのため、図14に示すように集電部幅γの値が比較的大きい構成や図15に示すように燃料極厚さβの値が比較的小さい構成(すなわち、第2の比率R2の値が比較的小さい構成)では、燃料極116の反応場Ax0の内の一部の領域Ax2に燃料ガスFGが到達しにくくなることによってガス拡散分極が大きくなり、その結果、発電単位102の初期電圧が低くなる。
Here, the fuel gas FG supplied to the
これに対し、図16に示す発電単位102の構成では、図14に示す発電単位102の構成と比較して、集電部幅γの値が小さく、また、図15に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極厚さβの値が大きい。すなわち、図16に示す発電単位102の構成では、図14および図15に示す発電単位102の構成と比較して、第2の比率R2の値が大きい。図16に示す発電単位102の構成では、集電部幅γの値が比較的小さいため、燃料極116の反応場Ax0の内、燃料ガスFGが到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図16に示す発電単位102の構成では、燃料極厚さβの値が比較的大きいため、燃料極116内に進入した燃料ガスFGの、Z軸方向に直交する方向への移動距離(拡散距離)を比較的長くすることができる。従って、図16に示すように、第2の比率R2の値が比較的大きい構成では、燃料極116の反応場Ax0の内、燃料ガスFGが到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することによって初期電圧の低下を抑制することができる。
On the other hand, in the configuration of the
上述したように、第2の比率R2(=β/γ)が0.06未満であるサンプルS3,S4の評価結果が、第2の比率R2が0.06以上であるサンプルS5~S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第2の比率R2は0.06以上であることが好ましいと言える。 As described above, the evaluation results of the samples S3 and S4 having the second ratio R2 (= β / γ) of less than 0.06 are the evaluations of the samples S5 to S14 having the second ratio R2 of 0.06 or more. Considering that it is inferior to the result, it can be said that the second ratio R2 is preferably 0.06 or more in order to further improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the deterioration of the power generation performance).
(サンプルS5~S7について)
サンプルS5~S7の評価結果は、4番目に低い(すなわち、4番目に高い)「D」評価であった。サンプルS5~S7では、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、第1の比率R1(=β/α)が0.20以上であり、かつ、第2の比率R2(=β/γ)が0.06以上であるものの、第1の比率R1が0.40未満であり、サンプルS8~S14(いずれも第1の比率R1が0.40以上である)と比べて低い値となっている。上述したように、第1の比率R1の値が大きいほど、燃料極116の反応場Ax0で発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって発電性能を向上させる(発電性能の低下を抑制する)ことができる。第1の比率R1(=β/γ)が0.40未満であるサンプルS5~S7の評価結果が、第1の比率R1が0.40以上であるサンプルS8~S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1は0.40以上であることが好ましいと言える。
(About samples S5 to S7)
The evaluation results of the samples S5 to S7 were the 4th lowest (that is, the 4th highest) "D" evaluation. In the samples S5 to S7, the porosity RO1 of the collector side portion of the
(サンプルS8について)
サンプルS8の評価結果は、5番目に低い(すなわち、3番目に高い)「C」評価であった。サンプルS8では、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、第1の比率R1(=β/α)が0.40以上であり、かつ、第2の比率R2(=β/γ)が0.06以上であるものの、第2の比率R2が0.50を超えており、サンプルS9~S14(いずれも第2の比率R2が0.50以下である)と比べて過度に高い値となっている。第2の比率R2が過度に高いということは、燃料極厚さβの値が過度に大きいこと、および/または、集電部幅γの値が過度に小さいことを意味する。燃料極厚さβの値が過度に大きいと、燃料極116の表面から反応場Ax0までの燃料ガスFGの拡散経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる上に、燃料極116を形成するための使用材料量の増加や燃料極116と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、集電部幅γの値が過度に小さいと、燃料極116と燃料極側集電体144との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して燃料極116の破損を引き起こし、その結果、初期電圧が低くなる。これらの内の少なくとも1つの理由によって、サンプルS8では、初期電圧が低くなったものと考えられる。第2の比率R2(=β/γ)が0.50を超えるサンプルS8の評価結果が、第2の比率R2が0.50以下であるサンプルS9~S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第2の比率R2は0.50以下であることが好ましいと言える。
(About sample S8)
The evaluation result of sample S8 was the 5th lowest (that is, the 3rd highest) "C" rating. In sample S8, the porosity RO1 of the collector side portion of the
(サンプルS9について)
サンプルS9の評価結果は、6番目に低い(すなわち、2番目に高い)「B」評価であった。サンプルS9では、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、第1の比率R1(=β/α)が0.40以上であり、かつ、第2の比率R2(=β/γ)が0.06以上、0.50以下であるものの、第1の比率R1が0.60を超えており、サンプルS10~S14(いずれも第1の比率R1が0.60以下である)と比べて過度に高い値となっている。第1の比率R1が過度に高いということは、燃料極厚さβの値が過度に大きいこと、および/または、集電部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。燃料極厚さβの値が過度に大きいと、燃料極116の表面から反応場Ax0までの燃料ガスFGの拡散経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる上に、燃料極116を形成するための使用材料量の増加や燃料極116と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、集電部間最短距離αの値が過度に小さいと、燃料極116における燃料極側集電体144の電極対向部145に覆われていない部分の面積が過度に小さくなるため、燃料室176に供給された燃料ガスFGが燃料極116内に良好に進入せず、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる。また、集電部間最短距離αの値が過度に小さいと、ガス流路が過度に狭くなることによってガスの圧力損失が増大し、セル面内に均一にガスが分配されにくくなり、その結果、初期電圧が低くなる。これらの内の少なくとも1つの理由によって、サンプルS9では、初期電圧が低くなったものと考えられる。第1の比率R1(=β/α)が0.60を超えるサンプルS9の評価結果が、第1の比率R1が0.60以下であるサンプルS10~S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1は0.60以下であることが好ましいと言える。
(About sample S9)
The evaluation result of sample S9 was the 6th lowest (that is, the 2nd highest) "B" rating. In sample S9, the porosity RO1 of the collector side portion of the
(性能評価結果のまとめ)
以上説明した性能評価結果を参照すると、発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(集電部間最短距離αに対する燃料極厚さβの比(β/α))が0.20以上であることが好ましく、第2の比率R2(集電部幅γに対する燃料極厚さβの比(β/γ))が0.06以上であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.40以上であることがさらに好ましく、第2の比率R2が0.50以下であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.60以下であることが最も好ましいと言える。
(Summary of performance evaluation results)
With reference to the performance evaluation results described above, in order to improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the deterioration of the power generation performance), the porosity RO1 of the collector side portion of the
A-4.燃料極116の気孔率の特定方法:
上述した燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1の特定は、水谷惟恭著「セラミックプロセシング」(技報堂出版)のp.193-195の記載を参考に、以下の方法に従って行った(図17参照)。まず、発電単位102(単セル110)において、燃料ガスFGの流れ方向(図5および図7に示すように本実施形態ではY軸方向)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、燃料ガスFGの流れ方向に略直交する断面(本実施形態ではXZ断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、燃料極116における燃料極側集電体144側の表面を含む部分が写ったFIB-SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。上記各SEM画像において、燃料極116における燃料極側集電体144側の表面付近に、Z軸方向に直交する5本の仮想直線VL(VL11~VL15)を1μm間隔で設定する。5本の仮想直線VLのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線VL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、当該仮想直線VL上における気孔率とする。すべてのSEM画像において設定されたすべての仮想直線VL上における気孔率の平均値を、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1とする。
A-4. How to identify the porosity of the fuel electrode 116:
The above-mentioned specification of the porosity RO1 of the current collector side portion of the
同様に、燃料極116の電解質層側部分の気孔率RO2の特定は、以下の方法に従って行った(図17参照)。まず、発電単位102(単セル110)において、燃料ガスFGの流れ方向(本実施形態ではY軸方向)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、燃料ガスFGの流れ方向に略直交する断面(本実施形態ではXZ断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、燃料極116における電解質層112側の表面を含む部分が写ったFIB-SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。上記各SEM画像において、燃料極116における電解質層112側の表面付近に、Z軸方向に直交する5本の仮想直線VL(VL21~VL25)を1μm間隔で設定する。なお、燃料極116における電解質層112側の表面は、上記各SEM画像において、燃料極116と電解質層112との構成物質の相違等に基づき特定することができる。5本の仮想直線VLのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線VL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、当該仮想直線VL上における気孔率とする。すべてのSEM画像において設定されたすべての仮想直線VL上における気孔率の平均値を、燃料極116の電解質層側部分の気孔率RO2とする。
Similarly, the porosity RO2 of the electrolyte layer side portion of the
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、発電単位102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、単層構成であるとしているが、燃料極116が、構成の互いに異なる複数の層から構成されているとしてもよい。燃料極116が複数の層から構成されている場合でも、上下方向(第1の方向)における燃料極116の厚さβは、燃料極116全体の厚さ(各層の厚さの合計)を意味する。
The configuration of the
例えば、燃料極116が、燃料極側集電体144側に位置する第1の燃料極層(基板層)と、電解質層112側に位置する第2の燃料極層(活性層)との二層構成であるとしてもよい。このような構成では、上下方向(第1の方向)における燃料極116の厚さβは、第1の燃料極層(基板層)の厚さと第2の燃料極層(活性層)の厚さとの合計を意味する。なお、このような構成でも、燃料極116における第1の燃料極層(基板層)の気孔率(燃料極116における集電体側部分の気孔率RO1)は、燃料極116における第2の燃料極層(活性層)の気孔率(燃料極116における電解質層側の部分の気孔率RO2)より高いことが好ましい。例えば、燃料極116における第1の燃料極層(基板層)の気孔率(燃料極116における集電体側部分の気孔率RO1)は、35%以上であることが好ましく、55%以下であることが好ましい。また、燃料極116における第2の燃料極層(活性層)の気孔率(燃料極116における電解質層側の部分の気孔率RO2)は、10%以上であることが好ましく、30%以下であることが好ましい。
For example, the
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144が、電極対向部145とインターコネクタ対向部146と連接部147とから構成されているが、燃料極側集電体144は、燃料極116の表面に導通する複数の集電部を有する限りにおいて、他の構成であってもよい。例えば、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様に、複数の略四角柱状の集電体要素から構成されていてもよい。そのような構成では、複数の集電体要素が複数の集電部として機能する。また、上記実施形態では、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間にスペーサー149が配置されているが、スペーサー149は省略可能である。
Further, in the above embodiment, the fuel pole side
また、上記実施形態において、燃料極116における燃料極側集電体144側の表面に、ガス透過性を有する導電性材料(例えば、Niで形成された細かいピッチ(電極対向部145の配置ピッチより細かいピッチ)のメッシュ材)が配置されており、燃料極116の該表面が、該ガス透過性を有する導電性材料を介して、燃料極側集電体144の電極対向部145に導通しているとしてもよい。そのような構成では、燃料極116が特許請求の範囲における燃料極に相当し、燃料極側集電体144が特許請求の範囲における集電体に相当し、該ガス透過性を有する導電性材料は特許請求の範囲における燃料極にも集電体にも相当しない。
Further, in the above embodiment, on the surface of the
また、上記実施形態において、燃料極側集電体144が導電性のコートにより覆われていてもよい。そのような構成において、該コートがガス透過性を有しない場合には、燃料極側集電体144および該コートが特許請求の範囲における集電体に相当し、該コートがガス透過性を有する場合には、燃料極側集電体144が特許請求の範囲における集電体に相当し、該コートは特許請求の範囲における燃料極にも集電体にも相当しない。
Further, in the above embodiment, the fuel electrode side
なお、上述した集電部間最短距離α、燃料極厚さβ、集電部幅γは、それぞれ、以下の範囲であることが好ましい。
・1000μm≦集電部間最短距離α≦3000μm
・210μm≦燃料極厚さβ≦1210μm
・500μm≦集電部幅γ≦9000μm
The shortest distance α between the current collectors, the fuel thickness β, and the current collector width γ are preferably in the following ranges, respectively.
・ 1000 μm ≤ shortest distance between current collectors α ≤ 3000 μm
210 μm ≤ fuel thickness β ≤ 1210 μm
・ 500 μm ≤ current collector width γ ≤ 9000 μm
また、上記実施形態では、単セル110が中間層180を備えているが、単セル110は必ずしも中間層180を備える必要は無い。また、上記実施形態では、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが一体部材であるが、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが別部材であってもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体134がコート136に覆われているが、空気極側集電体134がコート136に覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体134が接合層138を介して空気極114に接しているが、空気極側集電体134が接合層138を介さずに空気極114に接しているとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the
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(発電単位102)の個数は、あくまで一例であり、単セル110(発電単位102)の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。
Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 (power generation unit 102) included in the
また、上記実施形態に記載した発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のための構成要件(例えば、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(=β/α)が0.20以上であること等)は、必ずしも燃料電池スタック100を構成する複数の発電単位102のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料電池スタック100を構成する複数の発電単位102の内の少なくとも1つにおいて満たされていればよい。また、1つの発電単位102に注目したときに、該構成要件は、必ずしも燃料極側集電体144が備える複数の電極対向部145のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料極側集電体144が備える複数の電極対向部145の内の少なくとも1つにおいて満たされていればよい。なお、発電単位102の効果的な発電性能向上(発電性能低下の抑制)のため、燃料極側集電体144が備えるすべての電極対向部145の内、30%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることが好ましく、50%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることがより好ましく、70%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることがさらに好ましく、90%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることが一層好ましく、100%の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることが最も好ましい。該構成要件が満たされている電極対向部145は、特許請求の範囲における特定集電部に相当する。
Further, the constituent requirements for improving the power generation performance (suppressing the deterioration of the power generation performance) of the
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セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開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、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、性能向上(性能低下の抑制)のためには、上記実施形態と同様に、燃料極116の集電体側部分の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(=β/α)が0.20以上であることが好ましく、第2の比率R2(=β/γ)が0.06以上であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.40以上であることがさらに好ましく、第2の比率R2が0.50以下であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.60以下であることが最も好ましい。
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 cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic cell units. 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
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:燃料電池発電単位 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 136:コート 138:接合層 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:中間層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidating agent gas supply communication hole 133: Oxidating agent gas discharge communication hole 134: Air Polar side current collector 135: Current collector element 136: Coat 138: Bonding layer 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collector 145 : Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge Manifold 176: Fuel chamber 180: Intermediate layer
Claims (8)
前記燃料極に対して前記第1の方向の前記他方側に配置され、前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する導電性の集電体と、
を備える電気化学反応単位において、
前記燃料極における前記集電体側の部分の気孔率は、35%以上、55%以下であり、
前記集電体は、さらに、前記複数の集電部に対して前記第1の方向の前記他方側に配置されたインターコネクタ対向部と、前記インターコネクタ対向部と各前記集電部とをつなぐ複数の連接部と、を有し、
前記複数の集電部は、互いに同一の形状であり、かつ、前記第1の方向と前記燃料極に面する燃料室におけるガスの流れ方向との両方に直交する第2の方向に沿って等間隔に配置されており、かつ、前記燃料室におけるガスの流れ方向に沿って等間隔に配置されており、
前記複数の集電部の内の少なくとも1つである特定集電部について、前記特定集電部と前記特定集電部に対して前記第2の方向の隣に位置する前記集電部との間の前記第2の方向における最短距離αに対する、前記第1の方向における前記燃料極の厚さβの比である第1の比率(β/α)は、0.20以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 Electricity comprising an electrolyte layer, an air electrode arranged on one side of the electrolyte layer in the first direction, and a fuel electrode arranged on the other side of the first direction with respect to the electrolyte layer. Chemical reaction single cell and
A conductive current collector arranged on the other side of the fuel electrode in the first direction and having a plurality of current collectors conducting to the surface of the other side of the fuel electrode in the first direction. When,
In an electrochemical reaction unit comprising
The porosity of the portion of the fuel electrode on the current collector side is 35% or more and 55% or less.
The current collector further connects an interconnector facing portion arranged on the other side of the first direction with respect to the plurality of current collecting portions, the interconnector facing portion, and each of the current collectors. With multiple connectors,
The plurality of current collectors have the same shape as each other, and are along a second direction orthogonal to both the first direction and the gas flow direction in the fuel chamber facing the fuel electrode, and the like. They are arranged at intervals and at equal intervals along the gas flow direction in the fuel chamber.
With respect to the specific current collector, which is at least one of the plurality of current collectors, the specific current collector and the current collector located next to the specific current collector in the second direction. The first ratio (β / α), which is the ratio of the thickness β of the fuel electrode in the first direction to the shortest distance α in the second direction between them, is 0.20 or more. An electrochemical reaction unit.
前記特定集電部について、前記第2の方向における前記特定集電部の前記燃料極に対向する部分の幅γに対する、前記第1の方向における前記燃料極の厚さβの比である第2の比率(β/γ)は、0.06以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to claim 1,
A second ratio of the thickness β of the fuel electrode in the first direction to the width γ of the portion of the specific current collector facing the fuel electrode in the second direction. The ratio (β / γ) of is 0.06 or more, which is an electrochemical reaction unit.
前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.40以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to claim 2,
The electrochemical reaction unit, wherein the first ratio (β / α) of the specific current collector is 0.40 or more.
前記特定集電部について、前記第2の比率(β/γ)は、0.50以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to claim 3,
An electrochemical reaction unit characterized in that the second ratio (β / γ) of the specific current collector is 0.50 or less.
前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.60以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to claim 4,
The electrochemical reaction unit, wherein the first ratio (β / α) of the specific current collector is 0.60 or less.
前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記燃料極における前記第1の方向の前記一方側の部分の気孔率より高いことを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 5.
An electrochemical reaction unit characterized in that the porosity of the other side portion of the fuel electrode in the first direction is higher than the porosity of the one side portion of the fuel electrode in the first direction. ..
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 6.
The electrochemical reaction single cell is an electrochemical reaction unit, characterized in that it is a fuel cell single cell.
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも1つは、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位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 having a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in the first direction.
The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit.
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