JP7152142B2 - 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 technology disclosed by this specification relates to an electrochemical reaction single cell.
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備える。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one type of fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as "single cell"), which is a structural unit of SOFC, has an electrolyte layer containing a solid oxide and a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction") with respect to the electrolyte layer. and an anode arranged on one side of the electrolyte layer and an anode arranged on the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer.
単セルを構成する燃料極として、複数の層を含む燃料極が用いられることがある。具体的には、燃料極として、燃料極における第1の方向の上記他方側の表面を構成する第1の燃料極層(以下、「支持層」という)と、支持層と電解質層との間に配置され、イオン伝導性物質(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア))と電子伝導性物質(例えば、Ni(ニッケル))とを含む第2の燃料極層(以下、「活性層」という)とを含む燃料極が用いられることがある。 A fuel electrode including a plurality of layers is sometimes used as a fuel electrode that constitutes a single cell. Specifically, as the fuel electrode, a first fuel electrode layer (hereinafter referred to as a "support layer") that constitutes the surface of the fuel electrode on the other side in the first direction, and a gap between the support layer and the electrolyte layer. A second fuel electrode layer (hereinafter referred to as "active layer") containing an ion-conductive material (e.g., YSZ (yttria-stabilized zirconia)) and an electronically-conductive material (e.g., Ni (nickel)) A fuel electrode containing and may be used.
単セルを構成する燃料極として、支持層と活性層とを含む燃料極を用いる場合において、活性層におけるイオン伝導性物質と電子伝導性物質との接合長さを所定の範囲にすることにより、単セルの性能を向上させる技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 When a fuel electrode including a support layer and an active layer is used as the fuel electrode constituting the single cell, by setting the bonding length between the ion-conductive substance and the electronically-conductive substance in the active layer to a predetermined range, A technique for improving the performance of a single cell is known (see Patent Document 1, for example).
上記従来技術のように、単セルの燃料極を構成する活性層におけるイオン伝導性物質と電子伝導性物質との接合長さを所定の範囲にするだけでは、単セルの性能を安定的に向上させることができない、という課題がある。 As in the prior art described above, the performance of a single cell can be stably improved only by setting the junction length between the ion-conductive material and the electronically-conductive material in the active layer that constitutes the fuel electrode of the single cell to a predetermined range. The problem is that it cannot be done.
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。 Such problems are also common to electrolytic single cells, which are structural units of solid oxide type electrolytic cells (hereinafter also referred to as "SOEC") that generate hydrogen using the electrolysis reaction of water. It is an issue. In this specification, the fuel cell single cell and the electrolysis single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell. Moreover, such a problem is not limited to SOFCs and SOECs, but is 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 technology capable of solving the above-described 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 technology disclosed in this specification can be implemented, 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であって、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を構成する第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、イオン伝導性物質と電子伝導性物質とを含む第2の燃料極層と、を含む前記燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記第2の燃料極層の気孔率は、前記第1の燃料極層の気孔率より低く、前記第2の燃料極層の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面に、前記イオン伝導性物質の粒子と前記電子伝導性物質の粒子との界面長の合計と、前記イオン伝導性物質の粒子と気孔との界面長の合計と、前記電子伝導性物質の粒子と気孔との界面長の合計と、の総和である総界面長が2.5μm/μm2以上である第1の領域が存在する。本願発明者は、第2の燃料極層の第1の方向に平行な少なくとも1つの断面に、総界面長が2.5μm/μm2以上である第1の領域が存在すると、電気化学反応単セルの性能を安定的に向上させることができることを新たに見出した。上記構成により上記効果が得られる理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。第2の燃料極層の総界面長が比較的長いと、第2の燃料極層が微細な組織であることとなり、第2の燃料極層における反応場が比較的多くなるため、電気化学反応単セルの性能が向上するものと考えられる。また、仮に、イオン伝導性物質の粒子と電子伝導性物質の粒子との界面長だけに注目すると、この界面長が比較的長くても、イオン伝導性物質の粒子と気孔との界面長や、電子伝導性物質の粒子と気孔との界面長が短いと、電気化学反応単セルの性能が十分に向上しないと考えられる。本願発明者は、イオン伝導性物質の粒子と電子伝導性物質の粒子との界面長の合計に加えて、イオン伝導性物質の粒子と気孔との界面長の合計と、電子伝導性物質の粒子と気孔との界面長の合計とを考慮した指標である総界面長に注目し、この総界面長が比較的長い構成を採用すれば、電気化学反応単セルの性能を安定的に向上させることができることを新たに見出したのである。なお、第2の燃料極層の総界面長が比較的長くても、第2の燃料極層の気孔率が第1の燃料極層の気孔率より低いという要件を満たさないと、第2の燃料極層と電解質層との接触面積が低下したり、第2の燃料極層へのガスの拡散が抑制されたりして、電気化学反応単セルの性能が十分に向上しない場合がある。本電気化学反応単セルは、上述した総界面長に関する要件に加え、第2の燃料極層の気孔率が第1の燃料極層の気孔率より低いという要件を満たすため、電気化学反応単セルの性能を安定的に向上させることができる。 (1) The electrochemical reaction unit cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, an air electrode arranged on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer, and the first electrode with respect to the electrolyte layer. a fuel electrode arranged on the other side in one direction, the first fuel electrode layer forming a surface of the fuel electrode on the other side in the first direction; and a second fuel electrode layer that is arranged between the electrolyte layer and contains an ion-conductive material and an electronically-conductive material. The porosity of the anode layer is lower than the porosity of the first anode layer, and particles of the ion-conductive material are present in at least one section of the second anode layer parallel to the first direction. and the particles of the electronically conductive substance, the total length of the interfaces between the particles of the ionically conductive substance and the pores, the total length of the interfaces between the particles of the electronically conductive substance and the pores, There is a first region having a total interfacial length of 2.5 μm/μm 2 or more. The inventors of the present application have found that when a first region having a total interface length of 2.5 μm/μm 2 or more exists in at least one cross section of the second fuel electrode layer parallel to the first direction, the electrochemical reaction unit We have newly found that the performance of the cell can be stably improved. Although the reason why the above effect is obtained by the above configuration is not necessarily clear, it is presumed as follows. If the total interfacial length of the second fuel electrode layer is relatively long, the second fuel electrode layer will have a fine structure, and the reaction field in the second fuel electrode layer will be relatively large, resulting in an electrochemical reaction. It is considered that the performance of the single cell is improved. Further, if we focus only on the interface length between the particles of the ion-conducting substance and the particles of the electron-conducting substance, even if this interface length is relatively long, the length of the interface between the particles of the ion-conducting substance and the pores, If the interfacial length between the particles of the electronically conductive substance and the pores is short, it is considered that the performance of the electrochemical reaction single cell is not sufficiently improved. In addition to the total interface length between the particles of the ion-conductive substance and the particles of the electronically-conductive substance, the inventors of the present application have found that the total length of the interface between the particles of the ion-conductive substance and the pores, Focusing on the total interface length, which is an index that considers the total length of the interface with pores, and adopting a configuration with a relatively long total interface length, the performance of the electrochemical reaction single cell can be stably improved. I discovered something new. Even if the total interfacial length of the second fuel electrode layer is relatively long, the second fuel electrode layer must have a lower porosity than the first fuel electrode layer. In some cases, the contact area between the fuel electrode layer and the electrolyte layer is reduced, or the diffusion of gas to the second fuel electrode layer is suppressed, so that the performance of the electrochemical reaction single cell is not sufficiently improved. This electrochemical reaction unit cell satisfies the requirement that the porosity of the second fuel electrode layer is lower than the porosity of the first fuel electrode layer in addition to the requirements regarding the total interfacial length described above. performance can be stably improved.
(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の方向に平行な前記第2の燃料極層の少なくとも1つの断面に、第2の領域内に位置する前記電子伝導性物質の粒子の個数に対する、前記第2の領域の面積の比である電子伝導性物質凝集指数が1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満である前記第2の領域が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、電子伝導性物質凝集指数が1.5μm2/個以上と過度に小さくはないため、電子伝導性物質の孤立粒子が比較的少ない状態であるため、第2の燃料極層に電子伝導パスを十分に確保することができ、電気化学反応単セルの性能を効果的に向上させることができる。また、本電気化学反応単セルでは、電子伝導性物質凝集指数が2.5μm2/個未満と過度に大きくはないため、電子伝導性物質の粒子の凝集の程度が過度に高くはなく、電子伝導性物質の粒子が過度に凝集することによる三相界面の減少と、気孔径の局所的な減少や気孔の閉塞とを抑制することができるため、気孔の分散性を向上させることによってガス拡散性を向上させることができ、電気化学反応単セルの性能を効果的に向上させることができる。 (2) In the above electrochemical reaction single cell, the number of particles of the electron conductive material located within the second region in at least one cross section of the second fuel electrode layer parallel to the first direction. The electron conductive substance cohesion index, which is the ratio of the area of the second region to the second region, may be 1.5 μm 2 /piece or more and less than 2.5 μm 2 /piece. In the present electrochemical reaction single cell, the electron conductive substance cohesion index is not excessively small as 1.5 μm 2 /piece or more, so the number of isolated particles of the electronic conductive substance is relatively small. A sufficient electron conduction path can be secured in the electrode layer, and the performance of the electrochemical reaction single cell can be effectively improved. In addition, in the present electrochemical reaction single cell, the aggregation index of the electronic conductive substance is not excessively large at less than 2.5 μm 2 /piece, so the degree of aggregation of the particles of the electronic conductive substance is not excessively high. Since it is possible to suppress the reduction of the three-phase interface, the local reduction of the pore diameter, and the clogging of the pores due to excessive aggregation of the conductive substance particles, it is possible to improve the dispersibility of the pores, thereby improving the gas diffusion. Therefore, the performance of the electrochemical reaction single cell can be effectively improved.
(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の領域は、前記総界面長が3.0μm/μm2以上の領域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、本電気化学反応単セルでは、第1の領域の総界面長がさらに長いため、第2の燃料極層における反応場がさらに多くなり、電気化学反応単セル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 above electrochemical reaction single cell, the first region may have a total interface length of 3.0 μm/μm 2 or more. According to the present electrochemical reaction single cell, since the total interfacial length of the first region is longer in the present electrochemical reaction single cell, the reaction field in the second fuel electrode layer is further increased, and the electrochemical reaction single cell performance can be further effectively improved.
(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の領域は、前記総界面長が4.5μm/μm2以下の領域である構成としてもよい。第2の燃料極層の総界面長が過度に長いと、組織が細かすぎるために気孔の屈曲が大きくなり、ガス拡散性が低下し、電気化学反応単セルの性能が低下するものと考えられる。本電気化学反応単セルでは、第1の領域の総界面長が4.5μm/μm2以下と、過度に長くはないため、ガス拡散性の低下を抑制することができ、電気化学反応単セルの性能を効果的に向上させることができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the first region may have a total interface length of 4.5 μm/μm 2 or less. If the total interfacial length of the second fuel electrode layer is excessively long, it is thought that the microstructure is too fine, resulting in increased bending of the pores, reduced gas diffusivity, and reduced performance of the electrochemical reaction single cell. . In this electrochemical reaction single cell, the total interfacial length of the first region is 4.5 μm/μm 2 or less, which is not excessively long. can effectively improve the performance of
(5)上記電気化学反応単セルにおいて、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。本電気化学反応単セルによれば、燃料電池単セルの発電性能を安定的に向上させることができる。 (5) In the above electrochemical reaction single cell, the electrochemical reaction single cell may be a fuel cell single cell. According to this electrochemical reaction single cell, the power generation performance of the fuel cell single cell can be stably 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 technology disclosed in this specification can be implemented in various forms. For example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), a plurality of electrochemical reaction single cells It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack), manufacturing methods thereof, 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、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:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the 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)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
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 in the peripheral edge portion around the Z direction of each layer (the
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。
Also, as shown in FIGS. 1 and 3, near the midpoint of one side (the side on the Y-axis positive side of 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。
Four
(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。
(Configuration 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。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing the 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の上側に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112の下側に配置された燃料極(アノード)116とを備える。なお、上側は、特許請求の範囲における第1の方向の一方側に相当し、下側は、特許請求の範囲における第1の方向の他方側に相当する。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。
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(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)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
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
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(図5のX1部)のYZ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、燃料極116における下側の表面を構成する支持層310と、支持層310と電解質層112との間に配置された活性層320とを備える。本実施形態では、活性層320は電解質層112に隣接しており、支持層310は活性層320に隣接している。
The
活性層320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。活性層320は、酸素イオン伝導性物質(本実施形態では、セラミックスであるYSZ)と電子伝導性物質(本実施形態では、遷移金属であるNi)とを含んでいる。活性層320の厚さは、例えば10μm~40μmである。支持層310は、主として、活性層320と電解質層112と空気極114とを支持する機能を発揮する。支持層310の厚さは、例えば200μm~1000μmである。本実施形態では、支持層310も、酸素イオン伝導性物質(YSZ)と電子伝導性物質(Ni)とを含んでいる。支持層310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320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
図4および図5に示すように、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。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
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
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel electrode-
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
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 electrode side
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 through 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
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 offgas OOG discharged from the
A-3.燃料極116の活性層320の詳細構成:
次に、燃料極116の活性層320の構成について、さらに詳細に説明する。図7は、燃料極116の活性層320の詳細構成を示す説明図である。図7には、活性層320の一部分(図6のX2部)のYZ断面構成が拡大して示されている。
A-3. Detailed configuration of the
Next, the configuration of the
上述したように、燃料極116の活性層320は、酸素イオン伝導性物質(本実施形態では、セラミックスであるYSZ)と電子伝導性物質(本実施形態では、遷移金属であるNi)とを含んでいる。図7には、活性層320に含まれる酸素イオン伝導性物質の粒子としてのYSZ粒子Pyと、電子伝導性物質の粒子としてのNi粒子Pnと、気孔POとが模式的に示されている。
As described above, the
本実施形態における燃料極116では、活性層320の気孔率が、支持層310の気孔率より低くなっている。なお、活性層320の気孔率は、10vol%以上、30vol%以下であることが好ましく、13vol%以上、20vol%以下であることがより好ましい。活性層320の平均気孔径は、0.3μm以上であることが好ましい。また、支持層310の気孔率は、20vol%以上、45vol%以下であることが好ましく、33vol%以上、37vol%以下であることがより好ましい。支持層310の平均気孔径は、0.5μm以上であることが好ましい。
In the
また、本実施形態における燃料極116の活性層320では、上下方向に平行な断面(例えば、図7に示すYZ断面)において、総界面長Loが2.5μm/μm2以上となっている。ここで、総界面長Loとは、イオン伝導性物質の粒子(本実施形態では、YSZ粒子Py)と電子伝導性物質の粒子(本実施形態ではNi粒子Pn)との界面Baの長さの合計(以下、「YSZ-Ni界面長La」という)と、イオン伝導性物質の粒子(YSZ粒子Py)と気孔POとの界面Bbの長さの合計(以下、「YSZ-気孔界面長Lb」という)と、電子伝導性物質の粒子(Ni粒子Pn)と気孔POとの界面Bcの長さの合計(以下、「Ni-気孔界面長Lc」という)と、の総和である。すなわち、総界面長Loは、活性層320における各界面の長さの総合計である。本実施形態では、このような活性層320の総界面長Loが、2.5μm/μm2以上と比較的長くなっている。なお、活性層320の総界面長Loは、3.0μm/μm2以上であることがより好ましい。また、活性層320の総界面長Loは、4.5μm/μm2以下であることがより好ましい。
In addition, in the
なお、活性層320の総界面長Loを構成する各界面長(YSZ-Ni界面長La、YSZ-気孔界面長Lb、Ni-気孔界面長Lc)のそれぞれは、総界面長Loの10%以上、55%以下を占めていることが好ましい。
Each of the interface lengths (YSZ-Ni interface length La, YSZ-pore interface length Lb, Ni-pore interface length Lc) constituting the total interface length Lo of the
また、本実施形態における燃料極116の活性層320では、上下方向に平行な断面(例えば、図7に示すYZ断面)において、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満となっている。ここで、電子伝導性物質凝集指数Icとは、ある領域内に位置する電子伝導性物質の粒子(Ni粒子Pn)の個数に対する、該領域の面積の比である。すなわち、電子伝導性物質凝集指数Icは、電子伝導性物質の粒子(Ni粒子Pn)の凝集度合いの高さを示す指標である。本実施形態では、このような活性層320の電子伝導性物質凝集指数Icが、1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満と過度に小さくもなく過度に大きくもない。
In addition, in the
なお、活性層320におけるYSZ粒子Pyの平均粒径は、例えば、0.4μm以上、0.8μm以下であることが好ましい。また、活性層320におけるNi粒子Pnの平均粒径は、例えば、0.3μm以上、0.8μm以下であることが好ましい。活性層320におけるYSZ粒子PyとNi粒子Pnとの含有比は、65:35~40:60であることが好ましい。
The average particle size of the YSZ particles Py in the
A-4.燃料電池スタック100の製造方法:
本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法は、例えば以下の通りである。
A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
A method for manufacturing the
(燃料極支持層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、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、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調製する。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を作製する際のNiO粉末とYSZ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定されればよい。
(Preparation of green sheet for fuel electrode support layer)
Organic beads as a pore-forming material, butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to a mixed powder of NiO powder and YSZ powder, and the mixture is placed in a ball mill. and mix to prepare a slurry. Organic beads are, for example, spherical particles made of polymers such as polymethyl methacrylate and polystyrene. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to prepare a green sheet for fuel electrode supporting layer having a predetermined thickness (for example, 200 μm to 300 μm). The mixing ratio of the NiO powder and the YSZ powder when producing the green sheet for the fuel electrode support layer may be appropriately set as long as the performance is satisfied.
(燃料極活性層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調製する。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を作製する際のNiO粉末とYSZ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定されればよい。
(Preparation of green sheet for anode active layer)
A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to a mixed powder of NiO powder and YSZ powder, and mixed in a ball mill to prepare slurry. It should be noted that organic beads as a pore-forming material may be added at the time of preparing the slurry in the same manner as in the method for producing the green sheet for the fuel electrode support layer described above. The obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to prepare a green sheet for fuel electrode active layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm to 40 μm). The mixing ratio of the NiO powder and the YSZ powder when producing the green sheet for the fuel electrode active layer may be appropriately set as long as the performance is satisfied.
(電解質層用グリーンシートの作製)
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合してスラリーを調整する。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)
A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to the YSZ powder and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned by a doctor blade method to produce a green sheet for 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320および支持層310)との積層体を得る。
(Preparation of laminate of
The fuel electrode supporting layer green sheet, the fuel electrode active layer green sheet, and the electrolyte layer green sheet are attached and degreased at a predetermined temperature (for example, about 280° C.). Further, the laminate of green sheets after degreasing is fired at a predetermined temperature (for example, about 1350° C.). Thereby, a laminate of the
(空気極114の形成)
LSCF粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極用ペーストを調製する。調整された空気極用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させ、空気極用ペーストが塗布された積層体を所定の焼成温度(例えば1100℃)で焼成する。これにより空気極114が形成され、燃料極116と電解質層112と空気極114とを備える単セル110が作製される。
(Formation of air electrode 114)
LSCF powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed to adjust the viscosity to prepare an air electrode paste. The prepared air electrode paste is applied to the surface of the
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。以上により、燃料電池スタック100の製造が完了する。なお、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320を還元する(すなわち、活性層320に含まれるNiOをNiに還元する)還元工程が実行される。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。
After manufacturing a plurality of
A-5.燃料極116の各特性の調整方法:
上述した方法に従い燃料電池スタック100を製造する際に、燃料電池スタック100を構成する燃料極116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、燃料極116の各特性の特定方法は、後述の「A-7.燃料極116の各特性の特定方法」において説明する。
A-5. Method for adjusting each characteristic of the fuel electrode 116:
When manufacturing the
(燃料極116の気孔率)
燃料極116を構成する各層(活性層320および支持層310)における気孔率の調整は、例えば、グリーンシート(燃料極活性層用グリーンシートまたは燃料極支持層用グリーンシート)を作製するためのスラリーを調製する際に、造孔材の添加量を調整することにより、実現することができる。具体的には、ある層用のグリーンシートを作製するため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、該層の気孔率は高くなる。
(Porosity of fuel electrode 116)
The adjustment of the porosity in each layer (the
(燃料極116の活性層320における総界面長Lo)
燃料極116の活性層320における総界面長Loの調整は、例えば、燃料極活性層用グリーンシートを作製するためのスラリーを調製する際の電子伝導性物質(Ni)やイオン伝導性物質(YSZ)の原材料の粒径を調整したり、造孔材の大きさを調整したり、燃料極活性層用グリーンシートを焼成する際の焼成条件を調整したりすることにより、実現することができる。具体的には、電子伝導性物質(Ni)やイオン伝導性物質(YSZ)の原材料の粒径を小さくするほど、活性層320における総界面長Loは長くなる。また、造孔材の大きさを小さくするほど、活性層320における総界面長Loは長くなる。また、焼成温度を低くするほど、また焼成時間を短くするほど、活性層320における総界面長Loは長くなる。
(Total interfacial length Lo in
The adjustment of the total interfacial length Lo in the
(燃料極116の活性層320における電子伝導性物質凝集指数Ic)
燃料極116の活性層320における電子伝導性物質凝集指数Icの調整は、例えば、燃料極活性層用グリーンシートを作製するためのスラリーを調製する際の電子伝導性物質(Ni)の原材料の粒径を調整したり、分散剤の選定や添加量の設定によって分散性能を調整したり、燃料極活性層用グリーンシートを焼成する際の焼成条件を調整したりすることにより、実現することができる。具体的には、電子伝導性物質(Ni)の原材料の粒径を小さくするほど、活性層320における電子伝導性物質凝集指数Icは小さくなる。また、分散剤の分散能力を高くするほど、活性層320における電子伝導性物質凝集指数Icは小さくなる。また、焼成温度を低くするほど、また焼成時間を短くするほど、活性層320における電子伝導性物質凝集指数Icは小さくなる。
(Electron-conductive substance cohesion index Ic in
The adjustment of the electron conductive substance cohesion index Ic in the
A-6.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-6. Performance evaluation:
A plurality of samples of the
A-6-1.各サンプルについて:
図8に示すように、本性能評価には、単セル110の8つのサンプル(サンプルS1~S8)が用いられた。各サンプルは、上述した単セル110の製造方法に従い作製された。各サンプルは、燃料極116(活性層320および支持層310)の気孔率(vol%)と、活性層320の総界面長Lo(μm/μm2)と、YSZ-Ni界面長La(μm/μm2)と、電子伝導性物質凝集指数Ic(μm2/個)とが互いに異なっている。
A-6-1. For each sample:
As shown in FIG. 8, eight samples (samples S1 to S8) of the
A-6-2.評価項目および評価方法:
本性能評価では、発電特性についての評価を行った。具体的には、各サンプルの単セル110を用いた燃料電池スタック100について、約700℃で空気極114に酸化剤ガスOGを供給し、燃料極116に燃料ガスFGを供給し、電流密度が0.55A/cm2のときの単セル110の出力電圧を測定し、測定された電圧の値に応じて、以下のように「A」~「E」の5段階で評価した(「A」が最も優れているという評価であり、「E」が最も劣っているという評価である)。
・評価:「A」・・・電圧:0.920V以上
・評価:「B」・・・電圧:0.915V以上、0.920V未満
・評価:「C」・・・電圧:0.910V以上、0.915V未満
・評価:「D」・・・電圧:0.900V以上、0.910V未満
・評価:「E」・・・電圧:0.900V未満
A-6-2. Evaluation items and evaluation methods:
In this performance evaluation, the power generation characteristics were evaluated. Specifically, for the
・Evaluation: “A” Voltage: 0.920 V or more ・Evaluation: “B” Voltage: 0.915 V or more and less than 0.920 V ・Evaluation: “C” Voltage: 0.910 V or more , less than 0.915 V Evaluation: "D" Voltage: 0.900 V or more and less than 0.910 V Evaluation: "E" Voltage: less than 0.900 V
A-6-3.評価結果:
図8に示すように、サンプルS1では、発電特性の評価結果が最も低い「E」評価であった。サンプルS1の評価結果が低くなった理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。すなわち、サンプルS1では、活性層320における総界面長Loが2.28μm/μm2と、比較的短くなっており、活性層320における反応場が比較的少ないために発電性能が低下したものと考えられる。
A-6-3. Evaluation results:
As shown in FIG. 8, sample S1 was the lowest "E" in the evaluation result of the power generation characteristics. The reason why the evaluation result of the sample S1 was low is not necessarily clear, but is presumed as follows. That is, in sample S1, the total interfacial length Lo in the
一方、サンプルS2~S7では、発電特性の評価結果が「D」評価以上であった。サンプルS2~S7の評価結果がサンプルS1の評価結果より高くなった理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。すなわち、サンプルS2~S7では、活性層320における総界面長Loが2.5μm/μm2以上と比較的長くなっており、活性層320が微細な組織であることとなり、活性層320における反応場が比較的多いために発電性能が向上したものと考えられる。
On the other hand, in samples S2 to S7, the evaluation results of power generation characteristics were "D" or higher. The reason why the evaluation results of samples S2 to S7 were higher than the evaluation result of sample S1 is not necessarily clear, but is presumed as follows. That is, in the samples S2 to S7, the total interfacial length Lo in the
ただし、サンプルS8では、活性層320における総界面長Loが2.5μm/μm2以上であったにもかかわらず、発電特性の評価結果が最も低い「E」評価であった。サンプルS8では、サンプルS2~S7と異なり、活性層320の気孔率が支持層310の気孔率より高くなっている。そのため、サンプルS8では、活性層320における総界面長Loが比較的長いものの、支持層310の気孔率が比較的高く、その結果、活性層320と電解質層112との接触面積が低下したり、活性層320へのガスの拡散が抑制されたりして発電性能が十分に向上しなかったものと考えられる。
However, in sample S8, although the total interfacial length Lo in the
以上の結果から、単セル110の発電性能の向上のためには、活性層320の気孔率が支持層310の気孔率より低く、かつ、活性層320における総界面長Loが2.5μm/μm2以上であることが好ましいと言える。
From the above results, in order to improve the power generation performance of the
なお、活性層320における総界面長Loを構成する各界面長(YSZ-Ni界面長La、YSZ-気孔界面長Lb、Ni-気孔界面長Lc)の内、YSZ-Ni界面長Laにのみ注目すると、「E」評価であったサンプルS1では、「D」評価以上であったサンプルS2~S5と比べて、YSZ-Ni界面長Laが長くなっている。そのため、サンプルS1では、YSZ-Ni界面長Laが比較的長いものの、他の界面長(YSZ-気孔界面長LbおよびNi-気孔界面長Lc)が比較的短いために、発電性能が十分に向上しなかったものと考えられる。
Of the interface lengths (YSZ-Ni interface length La, YSZ-pore interface length Lb, Ni-pore interface length Lc) that make up the total interface length Lo in the
図9は、活性層320における総界面長Loの逆数と活性層320における活性化分極との関係を示す説明図である。また、図10は、活性層320におけるYSZ-Ni界面長Laの逆数と活性層320における活性化分極との関係を示す説明図である。図9および図10には、複数のサンプルを対象とした各測定値を示す複数の点と、該複数の点に基づき算出した近似直線とが示されている。ただし、図9において、総界面長Loの逆数が最も小さいサンプルの点(図9において括弧で示す)は、近似直線の算出の際に参照していない。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the relationship between the reciprocal of the total interfacial length Lo in the
図9に示すように、活性層320における総界面長Loの逆数が小さいほど(すなわち、総界面長Loが長いほど)、活性層320における分極抵抗が小さくなる(すなわち、発電性能が高くなる)傾向にある。なお、総界面長Loの逆数が非常に小さくなると(すなわち、総界面長Loが非常に長くなると)、分極抵抗はゼロに近付いていく。同様に、図10に示すように、活性層320におけるYSZ-Ni界面長Laの逆数が小さいほど(すなわち、YSZ-Ni界面長Laが長いほど)、活性層320における分極抵抗が小さくなる傾向にある。ただし、図9と図10とを比較すると明らかなように、活性層320におけるYSZ-Ni界面長Laと分極抵抗との相関は比較的低いのに対し、活性層320における総界面長Loと分極抵抗との相関は著しく高い。これは、活性層320におけるYSZ-Ni界面長Laが比較的長くても、他の界面長(YSZ-気孔界面長LbおよびNi-気孔界面長Lc)が比較的短ければ、活性層320における分極抵抗は大きくなり得るからである。そのため、活性層320におけるYSZ-Ni界面長Laのみに注目しても、単セル110の発電性能をばらつきなく向上させることは困難であり、活性層320における総界面長Loに注目し、総界面長Loを長くすることによってはじめて、単セル110の発電性能を安定的に向上させることができると言える。
As shown in FIG. 9, the smaller the reciprocal of the total interface length Lo in the active layer 320 (that is, the longer the total interface length Lo), the smaller the polarization resistance in the active layer 320 (that is, the higher the power generation performance). There is a tendency. Note that when the reciprocal of the total interface length Lo becomes very small (that is, when the total interface length Lo becomes very long), the polarization resistance approaches zero. Similarly, as shown in FIG. 10, the smaller the reciprocal of the YSZ-Ni interface length La in the active layer 320 (that is, the longer the YSZ-Ni interface length La), the smaller the polarization resistance in the
また、発電特性の評価結果が「D」評価以上であったサンプルS2~S7の内、サンプルS2,S3では評価結果が「D」評価であった一方、サンプルS4~S7では評価結果が「C」評価以上であった。サンプルS2では、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個未満であり、サンプルS3では、電子伝導性物質凝集指数Icが2.5μm2/個以上である一方、サンプルS4~S7では、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満である。サンプルS2のように、電子伝導性物質凝集指数Icが過度に小さいと、孤立したNi粒子Pnが比較的多い状態となり、活性層320における電子伝導パスを十分に確保することができず、発電性能が低下するものと考えられる。一方、サンプルS3のように、電子伝導性物質凝集指数Icが過度に大きいと、Ni粒子Pnが過度に凝集することによって、三相界面が減少するのみならず、微細組織の均質性が損なわれ、活性層320における気孔POの分散性が低下し、気孔POの径が局所的に減少してガス拡散性が低下し、やはり発電性能が低下するものと考えられる。これに対し、サンプルS4~S7では、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満であり、過度に小さくもないし過度に大きくもないため、孤立したNi粒子Pnを減らすことによって活性層320に電子伝導パスを十分に確保することができると共に、Ni粒子Pnが過度に凝集することによって気孔POの分散性低下に起因するガス拡散性の低下を抑制することができ、発電性能を効果的に向上させることができたものと考えられる。
In addition, among the samples S2 to S7 in which the evaluation results of the power generation characteristics were “D” or higher, the evaluation results of the samples S2 and S3 were “D”, while the samples S4 to S7 were evaluated “C”. "It was more than rated. Sample S2 has an electronic conductive substance cohesion index Ic of less than 1.5 μm 2 /piece, and sample S3 has an electronic conductive substance cohesion index Ic of 2.5 μm 2 /piece or more. , the electron conductive substance cohesion index Ic is 1.5 μm 2 /piece or more and less than 2.5 μm 2 /piece. When the electron conductive substance cohesion index Ic is excessively small, as in sample S2, the number of isolated Ni particles Pn is relatively large, and an electron conduction path in the
また、発電特性の評価結果が「C」評価以上であったサンプルS4~S7の内、サンプルS4,S5では評価結果が「C」評価であった一方、サンプルS6,S7では評価結果が「B」評価以上であった。サンプルS4,S5では、活性層320における総界面長Loが3.0μm/μm2未満である一方、サンプルS6,S7では、活性層320における総界面長Loが3.0μm/μm2以上である。このように、サンプルS6,S7では、活性層320における総界面長Loがさらに長いため、活性層320がさらに微細な組織であることとなり、活性層320における反応場がさらに多くなって発電性能がさらに効果的に向上したものと考えられる。
In addition, among the samples S4 to S7 for which the evaluation result of the power generation characteristics was “C” or higher, the evaluation result was “C” for the samples S4 and S5, while the evaluation result was “B” for the samples S6 and S7. "It was more than rated. In samples S4 and S5, the total interfacial length Lo in the
また、発電特性の評価結果が「B」評価以上であったサンプルS6,S7の内、サンプルS6では評価結果が「B」評価であった一方、サンプルS7では、評価結果が「A」評価であった。サンプルS6では、活性層320における総界面長Loが4.5μm/μm2より長い一方、サンプルS7では、活性層320における総界面長Loが4.5μm/μm2以下である。サンプルS6では、活性層320における総界面長Loが過度に長いため、活性層320の組織が細かすぎることによって気孔POの屈曲が大きくなり、その結果、ガス拡散性が低下して発電性能が低下したものと考えられる。これに対し、サンプルS7では、活性層320における総界面長Loが過度に長くはないため、気孔POの屈曲に起因するガス拡散性の低下を抑制することができ、発電性能が極めて効果的に向上したものと考えられる。
In addition, among the samples S6 and S7 whose evaluation results of the power generation characteristics were rated “B” or higher, the sample S6 was rated “B”, while the sample S7 was rated “A”. there were. In sample S6, the total interfacial length Lo in the
以上の性能評価結果によれば、単セル110の発電特性を向上させるために、活性層320の気孔率が支持層310の気孔率より低く、かつ、活性層320における総界面長Loが2.5μm/μm2以上であることが好ましく、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満であることがより好ましく、活性層320における総界面長Loが3.0μm/μm2以上であることがさらに好ましく、活性層320における総界面長Loが4.5μm/μm2以下であることが極めて好ましいと言える。
According to the above performance evaluation results, in order to improve the power generation characteristics of the
A-7.燃料極116の各特性の特定方法:
燃料極116の各特性(活性層320の電子伝導性物質凝集指数Ic、活性層320の総界面長Lo、活性層320および支持層310の気孔率)の特定方法は、以下の通りである。まず、単セル110における上下方向に平行な断面(ただし燃料極116(活性層320)を含む断面)を任意に設定し、該断面における任意の位置で、活性層320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。このSEM画像は、例えば、活性層320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と活性層320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た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320と支持層310との境界B2(図6参照)と推測される部分が、最も下の分割領域内に位置している画像である。
A-7. Method for identifying each characteristic of the fuel electrode 116:
A method of specifying each characteristic of the fuel electrode 116 (electron-conductive substance cohesion index Ic of the
上記SEM画像において、電解質層112と活性層320との境界B1は、電解質層112と活性層320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、上記SEM画像において、活性層320と支持層310との境界B2は、活性層320と支持層310とのNiの含有率、Niの平均粒径や気孔率の相違等に基づき特定することができる。
In the above SEM image, the boundary B1 between the
上記SEM画像において、電子伝導性物質の粒子(本実施形態ではNi粒子Pn)とイオン伝導性物質の粒子(本実施形態ではYSZ粒子Py)との識別は、例えば、SEM画像における明暗差を利用して実現することができる。具体的には、SEM画像を解析することにより、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。明度に応じた3つの領域から、Ni粒子Pnの領域とYSZ粒子Pyの領域とを識別する手法としては、SEM-EDSを用いるとよい。SEM-EDSによって元素が特定できるため、上記SEM画像から、Ni粒子Pnの領域とYSZ粒子Pyの領域とを識別することができる。また、明度に応じた3つの領域の内の残りの領域を、気孔POの領域として識別することができる。 In the above SEM image, the particles of the electronically conductive material (Ni particles Pn in this embodiment) and the particles of the ionically conductive material (YSZ particles Py in this embodiment) can be distinguished, for example, by using the difference in brightness in the SEM image. can be realized by Specifically, by analyzing the SEM image, the SEM image can be classified into three regions according to brightness. SEM-EDS may be used as a technique for distinguishing between the Ni particle Pn area and the YSZ particle Py area from the three areas corresponding to the brightness. Since the elements can be specified by SEM-EDS, it is possible to distinguish between the Ni particle Pn area and the YSZ particle Py area from the SEM image. Also, the remaining area of the three areas according to the brightness can be identified as the area of pores PO.
上記SEM画像において、活性層320における特定の領域の面積を特定すると共に、該領域内に存在するNi粒子Pnの個数を計数し、該面積を該個数で除すことにより、活性層320における電子伝導性物質凝集指数Icを特定することができる。
In the SEM image, the area of a specific region in the
また、上記SEM画像を画像解析ソフト(例えば、株式会社リンクス製「HALCON」)を用いて解析することにより、活性層320における各界面長(YSZ-Ni界面長La、YSZ-気孔界面長Lb、Ni-気孔界面長Lc)を特定することができる。特定された各界面長La,Lb,Lcの総和を算出することにより、活性層320における総界面長Loを特定することができる。なお、活性層320全体を対象として総界面長Loを特定することが好ましい。
Further, by analyzing the SEM image using image analysis software (for example, "HALCON" manufactured by Links Co., Ltd.), each interface length in the active layer 320 (YSZ-Ni interface length La, YSZ-pore interface length Lb, The Ni-pore interface length Lc) can be specified. The total interface length Lo in the
また、上記SEM画像において、活性層320における特定の領域の面積を特定すると共に、気孔POの占める面積を特定し、活性層320における特定の領域の面積に対する気孔POの占める面積の比率を算出することにより、活性層320の気孔率を特定する。
In addition, in the SEM image, the area of the specific region in the
また、同様に、支持層310が写ったSEM画像を取得し、支持層310における特定の領域の面積を特定すると共に、気孔POの占める面積を特定し、支持層310における特定の領域の面積に対する気孔POの占める面積の比率を算出することにより、支持層310の気孔率を特定する。なお、このとき用いられる支持層310のSEM画像の倍率は、上述した活性層320のSEM画像の倍率と同一か、それより低い倍率とする。
Similarly, an SEM image showing 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. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are 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320と支持層310との二層構成であるとしているが、燃料極116は、活性層320および支持層310以外の他の層を含むとしてもよい。
The configuration of the
また、上記実施形態では、燃料極116の活性層320の上下方向に平行な任意の断面の任意の領域において、総界面長Loが2.5μm/μm2以上となっているが、燃料極116の活性層320の上下方向に平行な少なくとも1つの断面に、総界面長Loが2.5μm/μm2以上である領域が存在すれば、少なくとも該領域において反応場が比較的多くなるため、単セル110の発電性能を向上させることができる。該領域は、活性層320と電解質層112との境界B1からの距離が10μm以下の範囲に存在することが好ましい。該領域は、特許請求の範囲における第1の領域に相当する。
In the above embodiment, the total interface length Lo is 2.5 μm/μm 2 or more in any region of any cross section parallel to the vertical direction of the
同様に、上記実施形態では、燃料極116の活性層320の上下方向に平行な任意の断面の任意の領域において、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満となっているが、燃料極116の活性層320の上下方向に平行な少なくとも1つの断面に、電子伝導性物質凝集指数Icが1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満である領域が存在すれば、少なくとも該領域において、孤立したNi粒子Pnを減らすことによって該領域に電子伝導パスを十分に確保することができると共に、Ni粒子Pnが過度に凝集することによる気孔POの分散性低下に起因するガス拡散性の低下を抑制することができるため、単セル110の発電性能を向上させることができる。該領域は、活性層320と電解質層112との境界B1からの距離が10μm以下の範囲に存在することが好ましい。該領域は、特許請求の範囲における第2の領域に相当する。なお、上記第1の領域は、上記第2の領域と同一の領域であってもよいし、別の領域であってもよい。
Similarly, in the above embodiment, in any region of any cross section parallel to the vertical direction of the
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の活性層320に含まれる電子伝導性物質として、Niを採用しているが、Mn、Fe、Co、Cu等の他の電子伝導性物質を利用可能である。ただし、Niは水素との親和性が高いため、燃料極116の活性層320に含まれる電子伝導性物質としてNiを採用することが好ましい。また、上記実施形態では、燃料極116の活性層320に含まれるイオン伝導性物質として、YSZを採用しているが、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)等の他のイオン伝導性物質を利用可能である。また、燃料極116の活性層320に、電子伝導性とイオン伝導性との両方を有する物質(例えば、GDC(ガドリニウムドープセリア))が含まれており、該物質が、電子伝導性物質とイオン伝導性物質との両方として機能するとしてもよい。この場合には、総界面長Loは、該物質と気孔POとの界面長を意味する。
Further, the materials forming each member in the above-described embodiment are merely examples, and each member may be formed of other materials. For example, in the above embodiment, Ni is used as the electronically conductive material contained in the
また、上記実施形態では、燃料極116の支持層310が、YSZとNiとから構成されているが、支持層310が、他の材料(例えば、金属)から構成されていてもよい。
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、燃料極116の活性層320の上下方向に平行な少なくとも1つの断面に総界面長Loが2.5μm/μm2以上である領域が存在す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について発電性能を向上させることができると言える。
In the above embodiment, the number of
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。
In the above embodiment, 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、上述した燃料極116の活性層320の上下方向に平行な少なくとも1つの断面に総界面長Loが2.5μm/μm2以上である領域が存在する等の条件が満たされれば、単セル110の性能を向上させることができる。
Further, in the above embodiments, SOFCs that generate electricity by utilizing the electrochemical reaction between the hydrogen contained in the fuel gas and the oxygen contained in the oxidant gas are used. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a structural unit of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that utilizes hydrogen to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack comprising a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolysis cell stack is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, so it will not be described in detail here, but it is roughly 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。 Also, in the above embodiments, a solid oxide fuel cell (SOFC) was described as an example, but the present invention is also applicable to other types of fuel cells (or electrolysis 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 310:支持層 320:活性層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 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 electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply passage 133: Oxidant gas discharge passage 134: Air electrode side Current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing Part 147: Connection Part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant Gas Introduction Manifold 162: Oxidant Gas Discharge Manifold 166: Air Chamber 171: Fuel Gas Introduction Manifold 172: Fuel Gas Discharge Manifold 176: Fuel Chamber 310: Support Layer 320: Active layer
Claims (5)
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であって、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を構成する第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、イオン伝導性物質と電子伝導性物質とを含む第2の燃料極層と、を含む前記燃料極と、
を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記第2の燃料極層の厚さは、10μm~40μmであり、
前記第2の燃料極層の気孔率は、前記第1の燃料極層の気孔率より低く、
前記第2の燃料極層の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面に、前記イオン伝導性物質の粒子と前記電子伝導性物質の粒子との界面長の合計と、前記イオン伝導性物質の粒子と気孔との界面長の合計と、前記電子伝導性物質の粒子と気孔との界面長の合計と、の総和である総界面長が2.5μm/μm2以上である第1の領域が存在し、
前記第1の方向に平行な前記第2の燃料極層の少なくとも1つの断面に、第2の領域内に位置する前記電子伝導性物質の粒子の個数に対する、前記第2の領域の面積の比である電子伝導性物質凝集指数が1.5μm2/個以上、2.5μm2/個未満である前記第2の領域が存在し、
前記第1の領域および前記第2の領域のそれぞれは、前記第1の方向に平行な前記電気化学反応単セルの断面においてFIB-SEM(加速電圧1.5kV)により得られたSEM画像であって、前記第2の燃料極層の前記第1の方向における全体が確認できる画像であり、前記電解質層と前記第2の燃料極層との境界と推測される部分が、当該画像を前記第1の方向に10等分に分割して得られた10個の分割領域の内、最も前記第1の方向の前記一方側の分割領域内に位置し、前記第2の燃料極層と前記第1の燃料極層との境界と推測される部分が、最も前記第1の方向の前記他方側の分割領域内に位置している画像において、前記第2の燃料極層を表す領域の全体であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 an electrolyte layer;
an air electrode disposed on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer;
a first fuel electrode layer disposed on the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer, the first fuel electrode layer constituting a surface of the fuel electrode on the other side in the first direction; a second anode layer disposed between the first anode layer and the electrolyte layer and including an ionically conductive material and an electronically conductive material;
In an electrochemical reaction single cell comprising
The thickness of the second fuel electrode layer is 10 μm to 40 μm,
The porosity of the second fuel electrode layer is lower than the porosity of the first fuel electrode layer,
In at least one cross section parallel to the first direction of the second fuel electrode layer, the total interface length between the particles of the ion-conductive material and the particles of the electronically-conductive material and the ion-conductive material The total interface length, which is the sum of the total interface length between the particles and pores of the electron conductive substance and the total interface length between the particles and pores of the electron conductive substance, is 2.5 μm/μm 2 or more. exists and
A ratio of the area of the second region to the number of particles of the electronically conductive material located in the second region in at least one cross section of the second anode layer parallel to the first direction and the second region having an electronic conductive substance cohesion index of 1.5 μm 2 / piece or more and less than 2.5 μm 2 / piece,
Each of the first region and the second region is an SEM image obtained by FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) in a cross section of the electrochemical reaction single cell parallel to the first direction. is an image in which the entirety of the second fuel electrode layer in the first direction can be confirmed, and a portion presumed to be a boundary between the electrolyte layer and the second fuel electrode layer is the image in the first direction. Among the ten divided regions obtained by dividing into ten equal parts in one direction, the second fuel electrode layer and the second In the image in which the portion presumed to be the boundary with the first fuel electrode layer is located in the divided region on the other side in the first direction, the entire region representing the second fuel electrode layer An electrochemical reaction single cell, characterized by:
前記第1の領域は、前記総界面長が3.0μm/μm2以上の領域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 electrochemical reaction single cell, wherein the first region is a region having a total interface length of 3.0 μm/μm 2 or more.
前記第1の領域は、前記総界面長が4.5μm/μm2以下の領域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 claim 2,
The electrochemical reaction single cell, wherein the first region has a total interface length of 4.5 μm/μm 2 or less.
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、電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 3,
An electrochemical reaction single cell, wherein the electrochemical reaction single cell is a fuel cell single cell.
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4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 an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4.
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