JP7349847B2 - Electrochemical cell, 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、電気化学セルに関する。 TECHNICAL FIELD The technology disclosed herein relates to electrochemical cells.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という。)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層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。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFC") are known as one type of fuel cells that generate electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as a "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 a fuel electrode is provided on the other side of the electrolyte layer in the first direction.

単セルを構成する燃料極として、電子伝導性物質とイオン伝導性酸化物とを含む多孔質な層(以下、「活性層」という。)を有する燃料極が用いられることがある。具体的には、電子伝導性物質として、Ni(ニッケル)を含む金属が用いられ、イオン伝導性酸化物として、例えば、酸素イオン伝導性を有するイオン伝導性酸化物であるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)が用いられることがある。活性層は、主として、電解質層から活性層に供給される酸素イオンと、燃料極に面する燃料室に供給される燃料ガス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。 As a fuel electrode constituting a single cell, a fuel electrode having a porous layer (hereinafter referred to as "active layer") containing an electronically conductive substance and an ionically conductive oxide is sometimes used. Specifically, a metal containing Ni (nickel) is used as the electron conductive substance, and as the ion conductive oxide, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia), which is an ion conductive oxide having oxygen ion conductivity, is used. ) is sometimes used. The active layer mainly generates electrons and water vapor by reacting oxygen ions supplied to the active layer from the electrolyte layer with hydrogen, etc. contained in the fuel gas supplied to the fuel chamber facing the fuel electrode. Demonstrate function.

さらに、上記のSOFCは逆向きに通電することにより固体酸化物形電気分解セル(以下、「SOEC」という。)として用いることが可能であり、再生可能エネルギーの導入過程で課題となっている余剰電力などを用いて水蒸気を水素に変換する形態の蓄エネルギー技術として用いられることも知られている。この場合には、活性層は、主として、燃料極に面する燃料室に供給される燃料ガスに含まれる水蒸気を反応させて、活性層から電解質層に供給される酸素イオンと水素とを生成する機能を発揮する。 Furthermore, the above-mentioned SOFC can be used as a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as "SOEC") by energizing in the opposite direction, which eliminates surplus, which is an issue in the process of introducing renewable energy. It is also known to be used as an energy storage technology that converts water vapor into hydrogen using electricity. In this case, the active layer mainly reacts water vapor contained in the fuel gas supplied to the fuel chamber facing the fuel electrode to generate oxygen ions and hydrogen that are supplied from the active layer to the electrolyte layer. Demonstrate function.

特開2019-091584号公報JP2019-091584A

上記の構成であるSOFCにおいては、燃料極に存在する金属(Niを含む金属。以下、単に「金属」という。)が凝集し、これにより電気化学セルの性能が低下することがある。 In the SOFC having the above configuration, the metal (metal containing Ni, hereinafter simply referred to as "metal") present in the fuel electrode may aggregate, which may deteriorate the performance of the electrochemical cell.

燃料極に存在するイオン伝導性酸化物は、燃料極に存在する金属(Niを含む金属)の移動を抑制する障害物として機能する。イオン伝導性酸化物の断面積が大きいほど、イオン伝導性酸化物は、より効果的に金属の移動を抑制する。イオン伝導性酸化物がこのように障害物として機能することにより、金属の凝集は抑制され、ひいては単セルの性能の低下は抑制される。従って、上記の構成であるSOFCにおいては、第1の方向に平行な断面において、燃料極に存在する各イオン伝導性酸化物の断面積の合計が大きいほど、金属の凝集は抑制され、これにより単セルの性能劣化を抑制することができる。 The ion conductive oxide present in the fuel electrode functions as an obstacle that suppresses the movement of metal (metal containing Ni) present in the fuel electrode. The larger the cross-sectional area of the ion-conducting oxide, the more effectively the ion-conducting oxide inhibits metal migration. By the ion-conducting oxide functioning as an obstacle in this manner, metal aggregation is suppressed and, as a result, deterioration in the performance of the single cell is suppressed. Therefore, in the SOFC having the above configuration, the larger the total cross-sectional area of each ion-conductive oxide present in the fuel electrode in the cross section parallel to the first direction, the more the metal aggregation is suppressed, and thereby Performance deterioration of the single cell can be suppressed.

しかしながら、燃料極に存在する各イオン伝導性酸化物の断面積の合計を大きくするだけでは、単セルの性能劣化を十分に抑制することができない、という課題がある。 However, there is a problem in that simply increasing the total cross-sectional area of each ion-conductive oxide present in the fuel electrode cannot sufficiently suppress performance deterioration of the single cell.

なお、このような課題は、酸素分圧が高い条件下ほど、Niの凝集が進行しやすいことが知られているが、SOECの構成単位である電解単セルでは、燃料極側に水蒸気が供給されるため、高酸素分圧となりやすく、Niの凝集が進みやすいことから、より大きな課題となる。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セルと呼ぶ。 It is known that Ni agglomeration progresses more easily under conditions of higher oxygen partial pressure, but in the electrolytic single cell that is the structural unit of SOEC, water vapor is supplied to the fuel electrode side As a result, the oxygen partial pressure tends to be high and Ni agglomeration tends to proceed, which becomes a bigger problem. Note that in this specification, a single fuel cell cell and a single electrolytic cell are collectively referred to as an electrochemical cell.

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 that can solve 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 technology disclosed in this specification can be realized, for example, as the following form.

(1)本明細書に開示される電気化学セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層の第1の方向の一方側に配置された空気極と、電解質層の第1の方向の他方側に配置された燃料極であって、Niを含む金属(以下、単に「金属」という。)と、イオン伝導性酸化物とを含む燃料極と、を備える電気化学セルであって、第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、燃料極における電解質層との界面からの距離が10μmまでの領域である特定領域について、特定領域の面積に対する各イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合である面積率をSa%とし、特定領域の面積に対する特定領域に存在する各気孔の面積の合計の割合である気孔面積率をSb%とし、特定領域における単位面積あたりの気孔の個数をN個/μmとしたとき、式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54と、を満たす。本願発明者は、上記の式(1)および式(2)を満たすと、電気化学セルの性能の低下を抑制することができることを新たに見出した。上記構成により当該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。 (1) The electrochemical cell disclosed herein includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode disposed on one side in a first direction of the electrolyte layer, and an air electrode disposed on one side in a first direction of the electrolyte layer. An electrochemical cell comprising: a fuel electrode disposed on the other side, the fuel electrode containing a metal containing Ni (hereinafter simply referred to as "metal") and an ion-conductive oxide; In at least one cross section parallel to direction 1, for a specific region where the distance from the interface with the electrolyte layer in the fuel electrode is up to 10 μm, the total area of each ion conductive oxide relative to the area of the specific region. The area ratio, which is a ratio, is Sa%, the pore area ratio, which is the ratio of the total area of each pore existing in a specific area to the area of the specific area, is Sb%, and the number of pores per unit area in the specific area is N. pieces/μm 2 , formula (1): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54 are satisfied. The inventors of the present application have newly discovered that when the above formulas (1) and (2) are satisfied, deterioration in the performance of the electrochemical cell can be suppressed. Although the reason why the above effect is obtained by the above structure is not necessarily clear, it is presumed as follows.

上記の式(1)または式(2)を満たさない電気化学セルにおいては、燃料極に存在する上記金属(以下、単に「金属」という。)が凝集し、これにより電気化学セルの性能が低下することがある。 In an electrochemical cell that does not satisfy the above formula (1) or formula (2), the above metal (hereinafter simply referred to as "metal") present in the fuel electrode aggregates, which reduces the performance of the electrochemical cell. There are things to do.

イオン伝導性酸化物は、金属の移動を抑制する障害物として機能する。イオン伝導性酸化物の断面積が大きいほど、イオン伝導性酸化物は、より効果的に金属の移動を抑制する。イオン伝導性酸化物がこのように障害物として機能することにより、金属の凝集は抑制され、ひいては電気化学セルの性能の低下は抑制される。従って、Sa(特定領域の面積に対する各イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合)が大きいほど、金属の凝集は抑制され、ひいては電気化学セルの性能の低下は抑制される。 The ion-conducting oxide functions as an obstacle that suppresses the movement of metal. The larger the cross-sectional area of the ion-conducting oxide, the more effectively the ion-conducting oxide inhibits metal migration. By the ion-conducting oxide functioning as an obstacle in this way, metal aggregation is suppressed and, as a result, deterioration in the performance of the electrochemical cell is suppressed. Therefore, the larger Sa (ratio of the total area of each ion-conducting oxide to the area of the specific region) is, the more the aggregation of metal is suppressed, and the deterioration of the performance of the electrochemical cell is suppressed.

また、燃料極の気孔の断面積の合計が小さいほど、金属の凝集は抑制され、ひいては電気化学セルの性能の低下は抑制される。従って、Sb(特定領域の面積に対する特定領域に存在する各気孔の面積の合計の割合である気孔面積率)の値が小さいほど、金属の凝集は抑制され、ひいては電気化学セルの性能の低下は抑制される。また、N(燃料極の特定領域における単位面積あたりの気孔の個数)の値が小さいほど、気孔の断面積(特に、ガスの流れ方向に直交する方向の幅)が大きい蓋然性が高い。気孔の断面積が大きいほど、金属が移動しやすいので、金属の凝集は生じやすい。そのため、電気化学セルの性能の低下は生じやすい。従って、Nの値が大きいほど、金属の凝集は抑制され、電気化学セルの性能の低下は抑制されやすい。 Moreover, the smaller the total cross-sectional area of the pores of the fuel electrode, the more suppressed is the aggregation of metal, and the more suppressed is the deterioration of the performance of the electrochemical cell. Therefore, the smaller the value of Sb (pore area ratio, which is the ratio of the total area of each pore existing in a specific region to the area of the specific region), the more the aggregation of metal is suppressed, and the lower the performance of the electrochemical cell. suppressed. Further, the smaller the value of N (the number of pores per unit area in a specific region of the fuel electrode), the higher the probability that the cross-sectional area of the pores (particularly the width in the direction perpendicular to the gas flow direction) is large. The larger the cross-sectional area of the pores, the easier the movement of metal, and therefore the more likely metal aggregation will occur. Therefore, the performance of the electrochemical cell is likely to deteriorate. Therefore, the larger the value of N, the more agglomeration of metal is suppressed, and the deterioration of the performance of the electrochemical cell is more likely to be suppressed.

本願発明者は、Sbに加えて、Nを考慮した指標Sb/Nに注目し、Saの値が比較的大きく、かつSb/Nの値が比較的小さい構成を採用すれば、電気化学セルの性能の低下を抑制することができることを新たに見出したのである。 In addition to Sb, the inventor of the present application focused on the index Sb/N, which takes N into consideration, and found that if a configuration in which the value of Sa is relatively large and the value of Sb/N is relatively small is adopted, the electrochemical cell can be improved. They have newly discovered that it is possible to suppress the decline in performance.

(2)上記電気化学セルにおいて、特定領域における気孔の平均径Dは、0.50μm以下である構成としてもよい。本電気化学セルによれば、特定領域における気孔の平均径Dが十分小さいことにより、金属の凝集をより効果的に抑制することができ、電気化学セルの性能の低下をより効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical cell, the average diameter D of the pores in the specific region may be 0.50 μm or less. According to this electrochemical cell, since the average diameter D of the pores in the specific region is sufficiently small, metal aggregation can be more effectively suppressed, and deterioration in the performance of the electrochemical cell can be more effectively suppressed. be able to.

(3)上記電気化学セルにおいて、特定領域において単位面積あたりの前記金属と前記イオン伝導性酸化物と前記気孔が交わる三相界面の個数をn個/μmとしたとき、式(3):n/N≦2.8を満たす構成としてもよい。本電気化学セルによれば、当該(3):n/N≦2.8を満たす。本願発明者は、上記の式(3):n/N≦2.8を満たすと、電気化学セルの性能の低下をより効果的に抑制することができることを新たに見出した。上記構成により当該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。 (3) In the above electrochemical cell, when the number of three-phase interfaces where the metal, the ion conductive oxide, and the pores intersect per unit area in a specific region is n pieces/μm 2 , formula (3): A configuration may be adopted that satisfies n/N≦2.8. According to this electrochemical cell, (3): n/N≦2.8 is satisfied. The inventors of the present application have newly discovered that when the above formula (3): n/N≦2.8 is satisfied, deterioration in the performance of the electrochemical cell can be more effectively suppressed. Although the reason why the above effect is obtained by the above structure is not necessarily clear, it is presumed as follows.

金属の平均径が大きいほど、電極反応場として機能する上記三相界面の個数が少なくなり、金属(金属の粒子)の表面積は小さくなるため、気相に曝される金属の面積が小さくなり、金属の表面拡散が起こりにくくなることから、金属の凝集は抑制され、電気化学セルの性能の低下は抑制されやすい。従って、n(特定領域における単位面積あたりの三相界面の個数)の値が小さいほど、金属の凝集は抑制され、電気化学セルの性能の低下は抑制されやすい。また、上述した通り、N(特定領域における単位面積あたりの気孔の個数)が大きいほど、金属の凝集は生じやすく、そのため、電気化学セルの性能の低下は生じやすい。本願発明者は、nに加えて、Nを考慮した指標n/Nに注目し、このn/Nの値が比較的小さい構成を採用すれば、電気化学セルの性能の低下をより効果的に抑制することができることを新たに見出したのである。 The larger the average diameter of the metal, the fewer the number of the three-phase interfaces that function as electrode reaction fields, and the smaller the surface area of the metal (metal particles), the smaller the area of the metal exposed to the gas phase. Since surface diffusion of metal is less likely to occur, aggregation of metal is suppressed, and deterioration in the performance of the electrochemical cell is easily suppressed. Therefore, the smaller the value of n (the number of three-phase interfaces per unit area in a specific region), the more agglomeration of metals is suppressed, and the deterioration of the performance of the electrochemical cell is more likely to be suppressed. Furthermore, as described above, the larger the N (the number of pores per unit area in a specific region), the more likely metal aggregation will occur, and therefore the performance of the electrochemical cell will tend to deteriorate. In addition to n, the inventors of the present application focused on an index n/N that takes N into consideration, and found that if a configuration in which the value of n/N is relatively small is adopted, deterioration in the performance of the electrochemical cell can be more effectively suppressed. We have discovered that it is possible to suppress this phenomenon.

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、電気化学セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、複数の電気化学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。 Note that the technology disclosed in this specification can be realized in various forms, such as an electrochemical cell (a fuel cell single cell or an electrolytic single cell), an electrochemical reaction system including a plurality of electrochemical cells, etc. It can be realized in the form of a cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.

本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 in this embodiment. 図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. 1. FIG. 図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. 1. FIG. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。3 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2. FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 3. FIG. 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。FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged YZ cross-sectional configuration of a portion of the single cell 110 (X1 section in FIG. 5). 燃料極116の活性層320の詳細構成(図6のX2部のYZ断面構成)を拡大して示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing an enlarged detailed structure of the active layer 320 of the fuel electrode 116 (the YZ cross-sectional structure of the X2 section in FIG. 6). 本実施形態の燃料電池スタック100の構成と同様の構成である電解セルスタック100AのXZ断面構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of an electrolytic cell stack 100A having a configuration similar to that of the fuel cell stack 100 of the present embodiment. 図8に示す電解セルスタック100AのYZ断面構成を示す説明図である。9 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the electrolytic cell stack 100A shown in FIG. 8. FIG. 図8に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解セル単位102AのXZ断面構成を示す説明図である。9 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two mutually adjacent electrolytic cell units 102A at the same position as the cross section shown in FIG. 8. FIG. 図9に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解セル単位102AのYZ断面構成を示す説明図である。10 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional structure of two electrolytic cell units 102A adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 9. FIG. 性能評価結果を示す説明図である。It is an explanatory diagram showing a performance evaluation result.

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. composition:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in this embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying directions. In this specification, for convenience, the positive Z-axis direction will be referred to as the upward direction, and the negative Z-axis direction will be referred to as the downward direction, but the fuel cell stack 100 is actually oriented in a different direction. may be installed. The same applies to FIG. 4 and subsequent figures.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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、電解質層112と空気極114との間に配置される中間層180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 single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 disposed above the electrolyte layer 112, a fuel electrode (anode) 116 disposed below the electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 disposed above the electrolyte layer 112. and an intermediate layer 180 disposed between the pole 114 and the intermediate layer 180 . Note that the upper side corresponds to one side in the first direction in the claims, and the lower side corresponds to the other side in the first direction in the claims. In this embodiment, the thickness (vertical size) of the fuel electrode 116 is thicker than the thickness of the air electrode 114 and the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 supports the other layers that constitute the unit cell 110. That is, the single cell 110 of this embodiment is a fuel electrode supporting type single cell.

電解質層112は、Z軸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)等の固体酸化物を含んでいる。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member when viewed in the Z-axis direction, and is a dense layer (low porosity). The electrolyte layer 112 contains, for example, a solid oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia). In this way, the single cell 110 of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

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

燃料極116は、Z軸方向視で電解質層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 fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 when viewed in the Z-axis direction, and is a porous layer (having a higher porosity than the electrolyte layer 112). FIG. 6 is an explanatory diagram showing an enlarged YZ cross-sectional configuration of a portion of the single cell 110 (X1 section in FIG. 5). As shown in FIG. 6, the fuel electrode 116 includes a support layer 310 forming the lower surface of the fuel electrode 116, and an active layer 320 disposed between the support layer 310 and the electrolyte layer 112. In this embodiment, active layer 320 is adjacent to electrolyte layer 112 and support layer 310 is adjacent to active layer 320.

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、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオン伝導性を有する物質であるイオン伝導性酸化物(例えば、YSZ)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、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオン伝導性を有する物質であるイオン伝導性酸化物(例えば、YSZ)とを含んでいる。 The active layer 320 mainly functions to generate electrons and water vapor by causing oxygen ions supplied from the electrolyte layer 112 to react with hydrogen or the like contained in the fuel gas FG. The active layer 320 includes Ni, which is an electron conductive material, and an ion conductive oxide (eg, YSZ), which is a material having oxygen ion conductivity. The thickness of the active layer 320 is, for example, 10 μm to 40 μm. The support layer 310 mainly functions to support the active layer 320, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114. The thickness of the support layer 310 is, for example, 200 μm to 1000 μm. In this embodiment, the support layer 310 also includes Ni, which is an electron conductive material, and an ion conductive oxide (eg, YSZ), which is a material having oxygen ion conductivity.

中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、SDC、GDC、LDC(ランタンドープセリア)、YDC(イットリウムドープセリア)等のイオン伝導性を有する固体酸化物により形成されている。中間層180は、燃料電池スタック100の運転動作時のような高温条件下において、空気極114に含まれるSrと電解質層112に含まれる遷移元素(例えば、Zr)とが反応して高抵抗層(例えばSrZrO)が形成されることを抑制する反応防止層として機能する。なお、中間層180は、イオン伝導性を有するため、空気極114において酸化剤ガスOGに含まれる酸素分子のイオン化反応により生成された酸化物イオンを電解質層112へと移動させる機能も有する。 The intermediate layer 180 is a substantially rectangular plate-shaped member, and is formed of a solid oxide having ion conductivity, such as SDC, GDC, LDC (lanthanum-doped ceria), and YDC (yttrium-doped ceria). The intermediate layer 180 is formed into a high-resistance layer by the reaction between Sr contained in the air electrode 114 and the transition element (for example, Zr) contained in the electrolyte layer 112 under high-temperature conditions such as during operation of the fuel cell stack 100. (For example, SrZrO 3 ) functions as a reaction prevention layer that suppresses formation. Note that, since the intermediate layer 180 has ionic conductivity, it also has a function of moving oxide ions generated by an ionization reaction of oxygen molecules contained in the oxidant gas OG at the air electrode 114 to the electrolyte layer 112.

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 separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 121 is formed near the center and penetrates in the vertical direction, and is made of, for example, metal. The surrounding portion of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral edge of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed at opposing portions. The separator 120 separates an air chamber 166 facing the air electrode 114 and a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, thereby preventing gas from leaking from one electrode side to the other electrode side at the periphery of the single cell 110. suppressed.

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

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

燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。 The fuel electrode side current collector 144 is arranged within the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing part 146, an electrode facing part 145, and a connecting part 147 connecting the electrode facing part 145 and the interconnector facing part 146, and is made of, for example, nickel or nickel alloy. , stainless steel, etc. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is in contact with the surface of the interconnector 150 on the side opposite to the fuel electrode 116. are in contact. However, as described above, since the lowest power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 is located on the lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, it electrically connects the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106). Note that a spacer 149 made of mica, for example, is arranged between the electrode facing part 145 and the interconnector facing part 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to temperature cycles and reaction gas pressure fluctuations, and connects the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144. Good electrical connection is maintained.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素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 current collector 134 is arranged within the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 on the side opposite to the air electrode 114. However, as described above, since the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 is connected to the upper end plate. 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, it electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104). Note that the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be configured as an integral member. Further, the air electrode side current collector 134 may be covered with a conductive coat, and a conductive bonding layer is interposed between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 to bond them together. You may do so.

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 oxidizing gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidizing gas introduction manifold 161. Then, the oxidizing gas OG is supplied to the oxidizing gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body 28, and is supplied to the oxidizing gas introduction manifold 161 from the oxidizing gas introduction manifold 161 to the oxidizing gas OG of each power generation unit 102. The agent gas is supplied to the air chamber 166 via the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, fuel gas FG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to a branch part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 via the branch part 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body part 28, and is connected to the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel chamber 176 is supplied through the hole 142 .

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

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

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 active layer 320 of fuel electrode 116:
Next, the configuration of the active layer 320 of the fuel electrode 116 will be described in more detail. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the detailed configuration of the active layer 320 of the fuel electrode 116. FIG. 7 shows an enlarged YZ cross-sectional configuration of a portion of the active layer 320 (X2 section in FIG. 6).

上述したように、燃料極116の活性層320は、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオン伝導性を有するイオン伝導性酸化物であるYSZとを含んでいる。図7には、活性層320に含まれる電子伝導性物質の粒子としてのNi粒子Pnと、酸素イオン伝導性物質の粒子としてのYSZ粒子Pyと、気孔POと、Ni粒子PnとYSZ粒子Pyと気孔POとが交わる三相界面Iとが模式的に示されている。図6には、燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmである位置Baが示されている。 As described above, the active layer 320 of the fuel electrode 116 includes Ni, which is an electron conductive material, and YSZ, which is an ion conductive oxide having oxygen ion conductivity. FIG. 7 shows Ni particles Pn as particles of an electron conductive substance contained in the active layer 320, YSZ particles Py as particles of an oxygen ion conductive substance, pores PO, Ni particles Pn and YSZ particles Py. A three-phase interface I intersecting with the pore PO is schematically shown. FIG. 6 shows a position Ba at a distance of 10 μm from the interface with the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116.

本実施形態の燃料電池スタック100は、図7(または図5、または図6)に示す断面において、燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmまでの領域である特定領域SAについて、特定領域SAの面積に対する各イオン伝導性酸化物(本実施形態では、YSZ粒子Py)の面積の合計の割合である面積率をSa(以下、単に「特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Sa」ともいう。)%とし、特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各気孔の面積の合計の割合(以下、「特定領域SAの気孔面積率」ともいう。)をSb%とし、特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数をN個/μmとしたとき、式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54とを満たしている。なお、本実施形態では、図7(または図5、または図6)に示す断面は、特許請求の範囲における「第1の方向に平行な少なくとも1つの断面」に相当する。 In the fuel cell stack 100 of this embodiment, in the cross section shown in FIG. 7 (or FIG. 5, or FIG. 6), the specific area SA is an area where the distance from the interface with the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is up to 10 μm. , the area ratio, which is the ratio of the total area of each ion conductive oxide (YSZ particles Py in this embodiment) to the area of the specific area SA, is Sa (hereinafter simply referred to as "the area ratio of the ion conductive oxide in the specific area SA"). The ratio of the total area of each pore existing in the specific area SA to the area of the specific area SA (hereinafter also referred to as the ``pore area ratio of the specific area SA'') is Sb%. When the number of pores per unit area in the specific area SA is N/μm 2 , formula (1): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54 are satisfied. In this embodiment, the cross section shown in FIG. 7 (or FIG. 5, or FIG. 6) corresponds to "at least one cross section parallel to the first direction" in the claims.

本実施形態の燃料電池スタック100では、特定領域SAにおける気孔の平均径Dは、0.50μm以下である。 In the fuel cell stack 100 of this embodiment, the average diameter D of the pores in the specific area SA is 0.50 μm or less.

本実施形態の燃料電池スタック100は、特定領域SAにおいて単位面積あたりの三相界面(Ni粒子PnとYSZ粒子Pyと気孔POとが交わる三相界面)Iの個数をn個/μmとしたとき、式(3):n/N≦2.8を満たしている。 In the fuel cell stack 100 of this embodiment, the number of three-phase interfaces (three-phase interfaces where Ni particles Pn, YSZ particles Py, and pores PO intersect) I per unit area in the specific area SA is n pieces/μm 2 Then, formula (3): n/N≦2.8 is satisfied.

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. Method for manufacturing fuel cell stack 100:
The method for manufacturing the fuel cell stack 100 in this embodiment is, for example, as follows.

(燃料極支持層用グリーンシートの作製)
NiO粉末と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 were added to a mixed powder of NiO powder and YSZ powder, and the mixture was placed in a ball mill. Mix to prepare slurry. Organic beads are, for example, spherical particles formed from polymers such as polymethyl methacrylate and polystyrene. The obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to prepare a green sheet for a fuel electrode support layer having a predetermined thickness (for example, 200 μm to 300 μm). Note that the mixing ratio of NiO powder and 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 fuel electrode active layer)
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 mixed in a ball mill to prepare a slurry. Note that, similar to the above-described method for producing a green sheet for a fuel electrode support layer, organic beads as a pore-forming material may be added when preparing the slurry. The obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to produce a green sheet for a fuel electrode active layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm to 40 μm). Note that the mixing ratio of NiO powder and 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, DOP as a plasticizer, 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 obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to produce a green sheet for an electrolyte layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm).

(電解質層112と燃料極116との積層体の作製)
燃料極支持層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて所定の温度(例えば約280℃)で脱脂する。さらに、脱脂後のグリーンシートの積層体を所定の温度(例えば約1350℃)で焼成する。これにより、電解質層112と燃料極116(活性層320および支持層310)との積層体を得る。
(Preparation of laminate of electrolyte layer 112 and fuel electrode 116)
The green sheet for the fuel electrode support layer, the green sheet for the fuel electrode active layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at a predetermined temperature (for example, about 280° C.). Furthermore, the degreased green sheet laminate is fired at a predetermined temperature (for example, about 1350° C.). Thereby, a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 (active layer 320 and support layer 310) is obtained.

(中間層180の形成)
GDC粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。調整された中間層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布し、例えば1200℃にて焼成を行う。これにより、中間層180が形成される。
(Formation of intermediate layer 180)
Polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are added and mixed to the GDC powder, and the viscosity is adjusted to prepare a paste for the intermediate layer. The adjusted intermediate layer paste is applied to the surface of the electrolyte layer 112 side of the above-mentioned laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 by, for example, screen printing, and is fired at, for example, 1200°C. As a result, an intermediate layer 180 is formed.

(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、上述した中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体における中間層180の表面に、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)
An air electrode paste is prepared by mixing LSCF powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent, and adjusting the viscosity. The prepared air electrode paste is applied to the surface of the intermediate layer 180 in the above-described laminate of the intermediate layer 180, electrolyte layer 112, and fuel electrode 116 by screen printing, and dried to apply the air electrode paste. The resulting laminate is fired at a predetermined firing temperature (for example, 1100°C). As a result, the air electrode 114 is formed, and the single cell 110 including the fuel electrode 116, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114 is manufactured.

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 producing a plurality of unit cells 110 according to the method described above, an assembly process (for example, a process of attaching other members such as a separator 120 to each unit cell 110, a process of stacking a plurality of unit cells 110, and a process of fastening with bolts 22) process, etc.). Through the above steps, manufacturing of the fuel cell stack 100 is completed. Note that after that, in order to put the fuel cell stack 100 into a state where power generation operation is possible, a reduction step is performed to reduce the active layer 320 of the fuel electrode 116 (that is, reduce NiO contained in the active layer 320 to Ni). . The reduction process is realized, for example, by exposing the fuel electrode 116 to a hydrogen atmosphere at a predetermined temperature for a predetermined time. Note that the reducing gas used in the reduction step is not limited to hydrogen, and may be other gas such as methane gas. Through the above steps, the manufacturing of the fuel cell stack 100 that is ready for power generation operation is completed.

A-5.特定領域SA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の特定領域SA(図7に示す断面において、燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmまでの領域)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、特定領域SAの各特性の特定方法は、後述の「A-7.特定領域SAの各特性の特定方法」において説明する。
A-5. How to adjust each characteristic of specific area SA:
When manufacturing the fuel cell stack 100 according to the method described above, the specific area SA of the fuel electrode 116 constituting the fuel cell stack 100 (in the cross section shown in FIG. 7, the distance from the interface with the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is For example, each characteristic of the area (up to 10 μm) can be adjusted as follows. Note that the method for specifying each characteristic of the specific area SA will be explained in "A-7. Method for specifying each characteristic of the specific area SA" below.

(特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Sa)
特定領域SAのイオン伝導性酸化物(本実施形態では、YSZ粒子Py)の面積率(特定領域SAの面積に対する各イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合)Sa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に、YSZ粒子Py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、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に、YSZ粒子Pyの添加量を多くするほど、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saは大きくなる。
(特定領域SAの気孔面積率Sb)
燃料極116の特定領域SAにおける気孔面積率(特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各気孔の面積の合計の割合)Sbの調整は、上記
YSZ粒子Pyの添加量を調整することにより増減するが、更なるパラメータとして、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、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に、造孔材の添加量を多くするほど、特定領域SAの気孔面積率Sは高くなる。
(Area ratio Sa of ion conductive oxide in specific area SA)
The area ratio (ratio of the total area of each ion conductive oxide to the area of the specific area SA) Sa of the ion conductive oxide (in this embodiment, YSZ particles Py) in the specific area SA is adjusted, for example, by This can be achieved by adjusting the amount of YSZ particles Py added when preparing the slurry for producing the green sheet for the extremely active layer. Specifically, when preparing the slurry for producing the green sheet for the fuel electrode active layer, the larger the amount of YSZ particles Py added, the larger the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific area SA. Become.
(Pore area ratio Sb of specific area SA)
The pore area ratio (the ratio of the total area of each pore existing in the specific area SA to the area of the specific area SA) Sb in the specific area SA of the fuel electrode 116 can be adjusted by adjusting the amount of the YSZ particles Py added. This can be achieved by adjusting the amount of pore-forming material added as an additional parameter, for example, when preparing a slurry for producing a green sheet for an anode active layer, although it may be increased or decreased. Specifically, when preparing a slurry for producing a green sheet for an anode active layer, the greater the amount of pore-forming material added, the higher the pore area ratio S of the specific area SA becomes.

(特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数N)
特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数Nの調整は、上記のYSZ粒子Pyの添加量、造孔材の添加量により増減するが、更なるパラメータと
して、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に、造孔材の粒子径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、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に、造孔材の粒子径を小さくするほど、特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数Nは多くなる。
(Number of pores per unit area in specific area SA N)
Adjustment of the number N of pores per unit area in the specific area SA increases or decreases depending on the amount of YSZ particles Py added and the amount of pore-forming material added, but as further parameters, for example, the green sheet for the fuel electrode active layer This can be achieved by adjusting the particle size of the pore-forming material when preparing the slurry for producing the pore-forming material. Specifically, when preparing the slurry for producing the green sheet for the fuel electrode active layer, the smaller the particle size of the pore-forming material, the greater the number N of pores per unit area in the specific area SA. .

(特定領域SAにおける気孔の平均径D)
特定領域SAにおける気孔の平均径Dの調整は、上記のYSZ粒子Pyの添加量、造孔材の添加量や粒子径により増減するが、更なるパラメータとして、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に、Ni粒子PnとYSZ粒子Pyとの混合比率を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、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に、YSZ粒子Pyの存在比率に対するNi粒子Pnの存在比率を大きくするほど、特定領域SAにおける気孔の平均径Dは大きくなる。
(Average diameter D of pores in specific area SA)
Adjustment of the average diameter D of the pores in the specific area SA increases or decreases depending on the amount of the YSZ particles Py added, the amount of the pore-forming material added, and the particle size. This can be achieved by adjusting the mixing ratio of Ni particles Pn and YSZ particles Py when preparing a slurry for producing. Specifically, when preparing a slurry for producing a green sheet for an anode active layer, the larger the abundance ratio of Ni particles Pn to the abundance ratio of YSZ particles Py, the greater the average diameter of pores in the specific area SA. D becomes larger.

特定領域SAにおける単位面積あたりの三相界面(Ni粒子PnとYSZ粒子Pyと気孔POとが交わる三相界面)Iの個数nの調整は、上記のYSZ粒子Pyの添加量、造孔材の添加量や粒子径、Ni粒子PnとYSZ粒子Pyの存在比率により増減するが、更なるパラメータとして、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に、Ni粒子Pnの粒径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、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に、上記のNi粒子Pnの粒径を小さくするほど、特定領域SAにおける単位面積あたりの三相界面Iの個数nは多くなる。 The number n of three-phase interfaces (three-phase interfaces where Ni particles Pn, YSZ particles Py, and pores PO intersect) I per unit area in the specific area SA can be adjusted by adjusting the amount of the YSZ particles Py added and the pore-forming material. It increases or decreases depending on the amount added, the particle size, and the abundance ratio of Ni particles Pn and YSZ particles Py, but as an additional parameter, for example, when preparing a slurry for producing a green sheet for the fuel electrode active layer, Ni particles Pn This can be achieved by adjusting the particle size of. Specifically, when preparing a slurry for producing a green sheet for an anode active layer, the smaller the particle size of the Ni particles Pn, the smaller the three-phase interface I per unit area in the specific area SA. The number n increases.

A-6.SOECへの適用:
上記では、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(固体酸化物形の燃料電池)を対象とした適用例(燃料電池スタック100)について説明したが、上述した燃料電池スタック100に係る発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行うSOEC(固体酸化物形電解セル)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。以下、当該発明をSOECに適用した例(電解セルスタック100A)について説明する。
A-6. Application to SOEC:
In the above, an application example (fuel cell stack 100 ), the invention related to the fuel cell stack 100 described above includes an electrolytic single cell that is a constituent unit of a SOEC (solid oxide electrolytic cell) that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water, It is similarly applicable to an electrolytic cell stack comprising a plurality of electrolytic single cells. An example (electrolytic cell stack 100A) in which the invention is applied to SOEC will be described below.

A-6-1.電解セルスタック100Aの構成:
まず、電解セルスタック100Aの構成について説明する。図8は、上述した燃料電池スタック100の構成と同様の構成である電解セルスタック100AのXZ断面構成を示す説明図である。図9は、図8に示す電解セルスタック100AのYZ断面構成を示す説明図である。図10は、図8に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解セル単位102AのXZ断面構成を示す説明図である。図11は、図9に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解セル単位102AのYZ断面構成を示す説明図である。
A-6-1. Configuration of electrolytic cell stack 100A:
First, the configuration of the electrolytic cell stack 100A will be explained. FIG. 8 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of an electrolytic cell stack 100A having a configuration similar to that of the fuel cell stack 100 described above. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the electrolytic cell stack 100A shown in FIG. 8. FIG. 10 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional structure of two mutually adjacent electrolytic cell units 102A at the same position as the cross-section shown in FIG. FIG. 11 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional structure of two mutually adjacent electrolytic cell units 102A at the same position as the cross-section shown in FIG.

電解セルスタック100Aの構成は、概略的には上述した燃料電池スタック100と同様の構成である。また、電解セルスタックの基本的な構成は、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。従って、基本的には、上述した本実施形態の「燃料電池スタック100」を「電解セルスタック100A」と読み替え、「発電単位102」を「電解セル単位102A」と読み替え、「単セル110」を「電解単セル110A」と読み替えればよい。さらに、「酸化剤ガス供給連通孔132」を「酸素排出連通孔132」と読み替え、「燃料ガス供給連通孔142」を「水素排出連通孔142」と読み替え、「燃料ガス排出連通孔143」を「水蒸気供給連通孔143」と読み替え、「酸化剤ガス導入マニホールド161」を「酸素排出マニホールド161」と読み替え、「燃料ガス導入マニホールド171」を「水素排出マニホールド171」と読み替え、「燃料ガス排出マニホールド172」を「水蒸気導入マニホールド172」と読み替えればよい。 The configuration of the electrolytic cell stack 100A is generally the same as that of the fuel cell stack 100 described above. Further, the basic configuration of the electrolytic cell stack is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813. Therefore, basically, the "fuel cell stack 100" of this embodiment described above should be read as "electrolytic cell stack 100A", the "power generation unit 102" should be read as "electrolytic cell unit 102A", and the "single cell 110" should be read as "electrolytic cell stack 100A". It may be read as "electrolytic single cell 110A". Furthermore, "oxidant gas supply communication hole 132" is read as "oxygen discharge communication hole 132", "fuel gas supply communication hole 142" is read as "hydrogen discharge communication hole 142", and "fuel gas discharge communication hole 143" is read as "oxygen discharge communication hole 132". "steam supply communication hole 143", "oxidant gas introduction manifold 161", "oxygen discharge manifold 161", "fuel gas introduction manifold 171", "hydrogen discharge manifold 171", "fuel gas discharge manifold" 172" may be read as "steam introduction manifold 172."

ただし、電解セルスタック100Aの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極(水素極)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WVが供給されるなど、電解セルスタック100Aの動作は燃料電池スタック100の動作とは部分的には異なる。電解セルスタック100Aの動作が燃料電池スタック100の動作とは異なる点については、後述する。以下では、上述した燃料電池スタック100の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。 However, when the electrolytic cell stack 100A is operated, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode (hydrogen electrode) 116 is negative (cathode), and the two electrodes are connected. The operation of the electrolytic cell stack 100A is partially different from the operation of the fuel cell stack 100, such as that water vapor WV is supplied as a raw material gas through the hole 108. The points in which the operation of the electrolytic cell stack 100A differs from the operation of the fuel cell stack 100 will be described later. In the following, the same components as those of the fuel cell stack 100 described above will be given the same reference numerals and the description thereof will be omitted as appropriate.

上述した電解単セル110Aは、以下のように燃料電池スタック100と同様の構成を備えている。すなわち、電解単セル110Aは、固体酸化物を含む電解質層112と、電解質層112の上側(上下方向の一方側)に配置された空気極114と、電解質層112の下側(上下方向の他方側)に配置された燃料極116であって、Niとイオン伝導性酸化物とを含む燃料極116と、を備えている。電解単セル110Aは、上下方向に平行な少なくとも1つの断面において、燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmまでの領域である特定領域SAについて、特定領域SAの面積に対する各イオン伝導性酸化物(本実施形態では、YSZ粒子Py)の面積の合計の割合である面積率をSa%とし、特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各気孔の面積の合計の割合である気孔面積率をSb%とし、特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数をN個/μmとしたとき、式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54とを満たしている。 The electrolytic single cell 110A described above has the same configuration as the fuel cell stack 100 as described below. That is, the electrolytic single cell 110A includes an electrolyte layer 112 containing a solid oxide, an air electrode 114 disposed above the electrolyte layer 112 (one side in the vertical direction), and an air electrode 114 disposed below the electrolyte layer 112 (on the other side in the vertical direction). The fuel electrode 116 includes a fuel electrode 116 disposed on the side) and containing Ni and an ion-conductive oxide. The electrolytic single cell 110A has a specific region SA that is a region within a distance of 10 μm from the interface with the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 in at least one cross section parallel to the vertical direction, and each ion with respect to the area of the specific region SA. The area ratio, which is the ratio of the total area of the conductive oxide (YSZ particles Py in this embodiment), is Sa%, and it is the ratio of the total area of each pore existing in the specific area SA to the area of the specific area SA. When a certain pore area ratio is Sb% and the number of pores per unit area in the specific area SA is N pieces/μm2, formula ( 1 ): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54 It meets the following.

さらに、電解単セル110Aにおいては、特定領域SAにおける気孔の平均径Dは、0.50μm以下である。 Furthermore, in the electrolytic single cell 110A, the average diameter D of pores in the specific area SA is 0.50 μm or less.

さらに、電解単セル110Aにおいては、特定領域SAにおいて単位面積あたりのNiとイオン伝導性酸化物と気孔とが交わる三相界面の個数をn個/μmとしたとき、式(3):n/N≦2.8を満たしている。 Furthermore, in the electrolytic single cell 110A, when the number of three-phase interfaces where Ni, ion conductive oxide, and pores intersect per unit area in the specific area SA is n pieces/μm 2 , equation (3): n /N≦2.8 is satisfied.

A-6-2.電解セルスタック100Aの動作:
図9および図11に示すように、水蒸気導入マニホールド172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)を介して水蒸気WVが供給されると、水蒸気WVは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して水蒸気導入マニホールド172に供給され、水蒸気導入マニホールド172から各電解セル単位102Aの水蒸気供給連通孔143を介して、燃料室176に供給される。
A-6-2. Operation of electrolytic cell stack 100A:
As shown in FIGS. 9 and 11, when water vapor WV is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the water vapor introduction manifold 172, The water vapor WV is supplied to the water vapor introduction manifold 172 through the branch part 29 of the gas passage member 27 and the hole in the main body part 28, and is supplied to the water vapor introduction manifold 172 from the water vapor introduction manifold 172 through the water vapor supply communication hole 143 of each electrolytic cell unit 102A. chamber 176.

各電解セル単位102Aの燃料室176に水蒸気WVが供給され、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、電解単セル110Aにおいて水蒸気WVの電気化学反応による電解が行われる。この電解反応は吸熱反応である。この電解反応により、水蒸気WVは、水素Hと酸化物イオンに分解される。水素Hは、水素排出連通孔142から燃料室176の外部に排出され、酸化物イオンは、電解質層112を通って空気極114に移動し、空気極114で酸化物イオンから電子が分離されて酸素Oとなる。酸素Oは、空気極114、空気室166を経て、酸素排出連通孔132から空気室166の外部に排出される。 When water vapor WV is supplied to the fuel chamber 176 of each electrolytic cell unit 102A and a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), the electrolytic cell Electrolysis is performed in the cell 110A by an electrochemical reaction of water vapor WV. This electrolytic reaction is an endothermic reaction. Through this electrolytic reaction, water vapor WV is decomposed into hydrogen H and oxide ions. Hydrogen H is discharged from the hydrogen discharge communication hole 142 to the outside of the fuel chamber 176, and the oxide ions move to the air electrode 114 through the electrolyte layer 112, and electrons are separated from the oxide ions at the air electrode 114. It becomes oxygen O. Oxygen O passes through the air electrode 114 and the air chamber 166, and is discharged to the outside of the air chamber 166 from the oxygen discharge communication hole 132.

各電解セル単位102Aの燃料室176から排出された水素Hは、図9および図11に示すように、水素排出連通孔142を介して水素排出マニホールド171に排出され、さらに水素排出マニホールド171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)を介して電解セルスタック100Aの外部に排出される。これにより、各電解セル単位102Aにおいて生成された水素Hが取り出される。また、各電解セル単位102Aの空気室166から排出された酸素Oは、図8および図10に示すように、酸素排出連通孔132を介して酸素排出マニホールド161に排出され、さらに酸素排出マニホールド161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)を介して電解セルスタック100Aの外部に排出される。 Hydrogen H discharged from the fuel chamber 176 of each electrolytic cell unit 102A is discharged to the hydrogen discharge manifold 171 via the hydrogen discharge communication hole 142, as shown in FIGS. The gas is discharged to the outside of the electrolytic cell stack 100A through the main body portion 28 of the gas passage member 27 and the hole in the branch portion 29 provided in the gas passage member 27, and through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29. Thereby, hydrogen H generated in each electrolytic cell unit 102A is taken out. Further, as shown in FIGS. 8 and 10, oxygen O discharged from the air chamber 166 of each electrolytic cell unit 102A is discharged to the oxygen discharge manifold 161 through the oxygen discharge communication hole 132, and further to the oxygen discharge manifold 161. The gas is discharged to the outside of the electrolytic cell stack 100A through the main body 28 of the gas passage member 27 provided at the position and the hole in the branch 29, and through a gas pipe (not shown) connected to the branch 29. .

なお、上記の電解セルスタック100Aにおいて、電解セルスタック100Aの温度の制御等のために、空気ARを電解セルスタック100Aの内部に供給するようにしてもよい。以下、上述した本実施形態の「酸化剤ガス排出連通孔133」を「空気供給連通孔133」と読み替え、「酸化剤ガス排出マニホールド162」を「空気導入マニホールド162」と読み替えて、空気ARの流れについて説明する。図8および図10に示すように、空気導入マニホールド162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)を介して空気ARが供給されると、空気ARは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して空気導入マニホールド162に供給され、空気導入マニホールド162から各電解セル単位102Aの空気供給連通孔133を介して、空気室166に供給される。空気室166に供給された空気ARは、空気極114で生成される酸素Oとともに酸素排出連通孔132や酸素排出マニホールド161等を経て、電解セルスタック100Aの外部に排出される。このように空気室166に供給される空気ARにより、電解セルスタック100Aの温度の制御等がなされる。 In addition, in the electrolytic cell stack 100A described above, air AR may be supplied into the electrolytic cell stack 100A in order to control the temperature of the electrolytic cell stack 100A. Hereinafter, the "oxidant gas discharge communication hole 133" of this embodiment described above will be read as "air supply communication hole 133", and the "oxidant gas discharge manifold 162" will be read as "air introduction manifold 162", and the air AR Explain the flow. As shown in FIGS. 8 and 10, when air AR is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the air introduction manifold 162, Air AR is supplied to the air introduction manifold 162 through the branch part 29 of the gas passage member 27 and the hole in the main body part 28, and from the air introduction manifold 162 through the air supply communication hole 133 of each electrolytic cell unit 102A. is supplied to chamber 166. The air AR supplied to the air chamber 166 is discharged to the outside of the electrolytic cell stack 100A through the oxygen discharge communication hole 132, the oxygen discharge manifold 161, etc. together with the oxygen O generated at the air electrode 114. The air AR supplied to the air chamber 166 in this manner controls the temperature of the electrolytic cell stack 100A.

A-7.性能評価:
次に、本実施形態の性能評価について説明する。本実施形態の性能評価の結果は、SOFCの場合とSOECの場合とで概ね同じ傾向となるが、SOECの場合の方が燃料極116内におけるガスの拡散性による性能(電極反応に関わる性能)の変化がより顕著に現れる傾向にあるため、以下では、上述した燃料電池スタック100と同様の構成をSOECに適用した例である電解セルスタック100Aにおける性能評価について説明する。
A-7. Performance evaluation:
Next, performance evaluation of this embodiment will be explained. The results of the performance evaluation of this embodiment show roughly the same tendency for SOFC and SOEC, but SOEC has better performance due to gas diffusivity within the fuel electrode 116 (performance related to electrode reaction). Since the change in fuel cell stack 100 tends to appear more conspicuously, below, performance evaluation of an electrolytic cell stack 100A, which is an example in which a configuration similar to that of the fuel cell stack 100 described above is applied to an SOEC, will be described.

上述した各特性が互いに異なる複数の電解単セル110A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12は、性能評価結果を示す説明図である。
A-7-1.各サンプルについて:
Samples of a plurality of electrolytic single cells 110A having different characteristics as described above were prepared, and performance evaluation was performed using the samples. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the performance evaluation results.
A-7-1. For each sample:

図12に示すように、本性能評価には、電解単セル110Aの11個のサンプル(サンプルS1~S11)が用いられた。各サンプルは、上述した電解単セル110Aの製造方法に従い作製された。本性能評価に用いた電解セルスタック100Aは、各サンプルの電圧が個別に引き出せるよう、電圧端子が各層に形成されている。また、各サンプルは、互いに、燃料極116の特定領域SA(図7に示す断面において、燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmまでの領域)について、イオン伝導性酸化物の面積率Sa(%)と、気孔面積率Sb(%)と、単位面積あたりの気孔の個数N(個/μm)と、単位面積あたりの三相界面Iの個数n(個/μm)と、S/Nの値と、気孔の平均径D(μm),n/Nの値とが異なっている。上述したように、「イオン伝導性酸化物の面積率」とは、特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合である。また、上述したように、「気孔面積率Sb」は、特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各気孔の面積の合計の割合であり、「三相界面I」は、Ni(電子伝導性物質)とYSZ(イオン伝導性酸化物)と気孔とが交わる三相界面である。 As shown in FIG. 12, 11 samples (samples S1 to S11) of the electrolytic single cell 110A were used in this performance evaluation. Each sample was manufactured according to the method for manufacturing the electrolytic single cell 110A described above. In the electrolytic cell stack 100A used for this performance evaluation, voltage terminals are formed in each layer so that the voltage of each sample can be drawn out individually. In addition, each sample has a specific area SA of the fuel electrode 116 (an area where the distance from the interface with the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is up to 10 μm in the cross section shown in FIG. 7). Area ratio Sa (%), pore area ratio Sb (%), number of pores per unit area N (pcs/μm 2 ), and number of three-phase interfaces I per unit area n (pcs/μm 2 ) , the value of S/N, the average diameter D (μm) of pores, and the value of n/N are different. As described above, the "area ratio of ion conductive oxides" is the ratio of the total area of each ion conductive oxide present in the specific area SA to the area of the specific area SA. In addition, as described above, the "pore area ratio Sb" is the ratio of the total area of each pore existing in the specific area SA to the area of the specific area SA, and the "three-phase interface I" is It is a three-phase interface where YSZ (ion conductive oxide), YSZ (ion conductive oxide), and pores intersect.

A-7-2.評価項目および評価方法:
本性能評価では、電解セルスタック100Aの運転の際における性能の劣化速度を評価した。具体的には、各サンプルの電解単セル110Aを用いた電解セルスタック100Aについて、所定量の水素を生成するために、約700℃で燃料極(水素極)116に水蒸気WVを供給し、電流密度が1.2A/cmで空気極114と燃料極116との両電極間に電圧を1000時間継続して印可した際の電圧降下を測定し、測定された当該電圧降下の値に基づいて評価した(当該電圧降下の値が低いほど性能の劣化速度が遅く、そのため優れているという評価である)。
A-7-2. Evaluation items and evaluation method:
In this performance evaluation, the rate of performance deterioration during operation of the electrolytic cell stack 100A was evaluated. Specifically, in order to generate a predetermined amount of hydrogen for an electrolytic cell stack 100A using an electrolytic single cell 110A of each sample, water vapor WV is supplied to the fuel electrode (hydrogen electrode) 116 at about 700°C, and the current is Measure the voltage drop when a voltage is continuously applied between the air electrode 114 and the fuel electrode 116 for 1000 hours at a density of 1.2 A/cm 2 , and based on the measured voltage drop value. (The lower the value of the voltage drop, the slower the rate of performance deterioration, and therefore the evaluation is excellent).

A-7-3.評価結果:
図12に示すように、サンプルS10では、測定された上記電圧降下の値が「223(mV/kh(1000時間))」と最も大きく、評価結果から得られた耐久性が最も低かった。サンプルS10の評価結果から得られた耐久性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、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saが高いほどNiの凝集が生じにくくなると考えられ(その理由については後述する)、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saが「29(%)」と比較的低くなっており、Niの凝集が生じやすい傾向にあり、そのため、電解セルスタック100Aの性能が低下したものと考えられる。また、サンプルS11では、測定された上記電圧降下の値が「145(mV/kh(1000時間))」とサンプルS10に次いで高く、評価結果から得られた耐久性がサンプルS10に次いで低かった。サンプルS11の評価結果から得られた耐久性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、Sb/Nの値が低いほどNiの凝集が生じにくくなると考えられ(その理由については後述する)、Sb/Nの値が「57.38」と比較的高くなっており、Niの凝集が生じやすい傾向にあり、そのため、電解セルスタック100Aの性能が低下したものと考えられる。
A-7-3. Evaluation results:
As shown in FIG. 12, in sample S10, the measured voltage drop value was the largest at 223 (mV/kh (1000 hours)), and the durability obtained from the evaluation results was the lowest. The reason why the durability obtained from the evaluation results of sample S10 was low is not necessarily clear, but it is presumed as follows. In other words, it is thought that the higher the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific area SA, the less likely Ni aggregation will occur (the reason will be explained later), and the higher the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific area SA It is relatively low at "29 (%)", and Ni tends to aggregate easily, which is considered to be the reason why the performance of the electrolytic cell stack 100A deteriorated. In addition, in sample S11, the measured voltage drop value was "145 (mV/kh (1000 hours))", which was the second highest after sample S10, and the durability obtained from the evaluation results was the second lowest after sample S10. The reason why the durability obtained from the evaluation results of sample S11 was low is not necessarily clear, but it is presumed as follows. In other words, it is thought that the lower the Sb/N value is, the less Ni agglomeration occurs (the reason will be explained later), and the Sb/N value is relatively high at 57.38, making it difficult for Ni aggregation to occur. tends to occur, which is considered to be the reason why the performance of the electrolytic cell stack 100A deteriorates.

一方、サンプルS1~S9では、測定された上記電圧降下の値が比較的低く、評価結果から得られた耐久性が比較的高かった。サンプルS1~S9の評価結果から得られた耐久性がサンプルS10,S11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S1~S9のように、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saが30%以上と比較的高いと、Niの凝集が生じにくい傾向にあり、そのため、電解セルスタック100Aの耐久性が向上したものと考えられる。また、サンプルS1~S9のように、Sb/Nの値が54以下と比較的低いと、Niの凝集が生じにくい傾向にあり、そのため、電解セルスタック100Aの耐久性が向上したものと考えられる。 On the other hand, in samples S1 to S9, the measured voltage drop values were relatively low, and the durability obtained from the evaluation results was relatively high. The reason why the durability obtained from the evaluation results of samples S1 to S9 was higher than the evaluation results of samples S10 and S11 is not necessarily clear, but it is assumed as follows. That is, when the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific area SA is relatively high, such as 30% or more, as in samples S1 to S9, Ni tends to be less likely to aggregate, and therefore, the electrolytic cell stack 100A is It is thought that the durability has improved. Furthermore, when the Sb/N value is relatively low, such as 54 or less, as in samples S1 to S9, Ni tends to be less likely to aggregate, which is thought to improve the durability of the electrolytic cell stack 100A. .

特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saが高いほど、Niの凝集が生じにくくなる理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。イオン伝導性酸化物は、Niの移動を抑制する障害物として機能する。イオン伝導性酸化物の断面積が大きいほど、イオン伝導性酸化物は、より効果的にNiの移動を抑制する。イオン伝導性酸化物がこのように障害物として機能することにより、Niの凝集は抑制される。従って、Sa(特定領域の面積に対する各イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合)が大きいほど、Niの凝集は抑制される。 The reason why Ni aggregation becomes less likely to occur as the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific region SA becomes higher is not necessarily clear, but it is assumed as follows. The ion conductive oxide functions as an obstacle that suppresses the movement of Ni. The larger the cross-sectional area of the ion-conducting oxide, the more effectively the ion-conducting oxide suppresses the movement of Ni. By the ion-conducting oxide functioning as an obstacle in this way, aggregation of Ni is suppressed. Therefore, the larger Sa (ratio of the total area of each ion conductive oxide to the area of the specific region) is, the more the aggregation of Ni is suppressed.

また、Sb/Nの値が低いほどNiの凝集が生じにくくなる理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。燃料極116の気孔の断面積の合計が小さいほど、Niの凝集は抑制される。従って、Sb(特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各気孔の面積の合計の割合である気孔面積率)の値が小さいほど、Niの凝集は抑制される。また、N(特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数)の値が小さいほど、気孔の断面積(特に、ガスの流れ方向に直交する方向の幅)が大きい蓋然性が高い。気孔の断面積が大きいほど、Niが移動しやすいので、Niの凝集は生じやすい。従って、Nの値が大きいほど、Niの凝集は抑制されやすい。 The reason why Ni aggregation becomes less likely to occur as the Sb/N value decreases is not necessarily clear, but it is assumed as follows. The smaller the total cross-sectional area of the pores of the fuel electrode 116, the more suppressed is the aggregation of Ni. Therefore, the smaller the value of Sb (pore area ratio, which is the ratio of the total area of each pore existing in the specific area SA to the area of the specific area SA), the more suppressed is the aggregation of Ni. Further, the smaller the value of N (the number of pores per unit area in the specific area SA), the higher the probability that the cross-sectional area of the pores (particularly the width in the direction perpendicular to the gas flow direction) is large. The larger the cross-sectional area of the pores, the easier Ni moves, and therefore the more likely Ni agglomeration occurs. Therefore, the larger the value of N, the more likely Ni aggregation is suppressed.

以上の結果から、電解単セル110Aの耐久性の向上のためには、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saが30%以上であり、かつ、Sb/Nの値が54以下であることが好ましいと言える。 From the above results, in order to improve the durability of the electrolytic single cell 110A, the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific area SA must be 30% or more, and the value of Sb/N must be 54 or less. It can be said that it is preferable.

また、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率Saが30%以上であり、かつ、Sb/Nの値が54以下であったサンプルS1~S9の内、サンプルS2,S3では評価結果から得られた耐久性が比較的低い評価であった一方、サンプルS1,S4~9では評価結果から得られた耐久性が比較的高かった。サンプルS3では、気孔の平均径Dが0.50μmより大きい一方、S1,S4~9では、気孔の平均径Dが0.50μm以下である。サンプルS3のように、気孔の平均径Dが過度に大きいと、Niの凝集が生じやすい傾向にあり、そのため、電解単セル110Aの耐久性が低下したものと考えられる。また、サンプルS2では、n/Nの値が2.8より大きい一方、サンプルS1,S4~9では、n/Nの値が2.8以下である。n/Nの値が大きいほどNiの凝集が生じやすい傾向にあり(その理由については後述する)、サンプルS7のように、n/Nの値が大きいと、Niの凝集が生じやすい傾向にあり、電解セルスタック100Aの耐久性が低下するものと考えられる。これに対し、S1,S4~9のように、気孔の平均径Dが0.50μm以下と十分に小さいと、Niの凝集を抑制することができ、これにより電解単セル110Aの耐久性を向上させることができるものと考えられる。また、サンプルS1,S4~9のように、n/Nの値が2.8以下と十分に小さいと、Niの凝集を抑制することができ、電解単セル110Aの耐久性を向上させることができるものと考えられる。 In addition, among samples S1 to S9 in which the area ratio Sa of the ion conductive oxide in the specific area SA was 30% or more and the value of Sb/N was 54 or less, samples S2 and S3 showed that the evaluation results While the obtained durability was evaluated as relatively low, samples S1 and S4 to 9 had relatively high durability obtained from the evaluation results. In sample S3, the average diameter D of pores is larger than 0.50 μm, while in samples S1 and S4 to S9, the average diameter D of pores is 0.50 μm or less. When the average diameter D of the pores is excessively large, as in sample S3, Ni tends to aggregate, which is considered to be the reason for the decrease in the durability of the electrolytic single cell 110A. Further, in sample S2, the value of n/N is greater than 2.8, while in samples S1 and S4 to 9, the value of n/N is less than or equal to 2.8. The larger the value of n/N, the more likely Ni agglomeration occurs (the reason will be explained later), and as in sample S7, when the value of n/N is large, Ni agglomeration tends to occur more easily. , it is considered that the durability of the electrolytic cell stack 100A decreases. On the other hand, when the average diameter D of the pores is sufficiently small, such as 0.50 μm or less, as in S1 and S4 to S9, agglomeration of Ni can be suppressed, thereby improving the durability of the electrolytic single cell 110A. It is thought that it is possible to do so. Furthermore, when the value of n/N is sufficiently small, such as 2.8 or less, as in samples S1 and S4 to S9, agglomeration of Ni can be suppressed and the durability of the electrolytic unit cell 110A can be improved. It is considered possible.

n/Nの値が大きいほどNiの凝集が生じやすい理由は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。Niの平均径Dが大きいほど、上記三相界面Iの個数が少なくなり、Ni(Niの粒子)の表面積は小さくなるため、気相に曝されるNiの面積が小さくなり、Niの表面拡散が起こりにくくなることから、Niの凝集は抑制されやすい。従って、n(特定領域SAにおける単位面積あたりの三相界面Iの個数)の値が小さいほど、Niの凝集は抑制されやすい。また、上述した通り、N(特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数)が大きいほど、Niの凝集は生じやすい。 The reason why Ni agglomeration is more likely to occur as the value of n/N is larger is not necessarily clear, but it is presumed as follows. The larger the average diameter D of Ni, the smaller the number of three-phase interfaces I and the smaller the surface area of Ni (Ni particles), which reduces the area of Ni exposed to the gas phase and increases the surface diffusion of Ni. Since this makes it difficult for Ni to occur, aggregation of Ni is likely to be suppressed. Therefore, the smaller the value of n (the number of three-phase interfaces I per unit area in the specific area SA), the more easily Ni aggregation is suppressed. Further, as described above, the larger N (the number of pores per unit area in the specific area SA), the more likely Ni aggregation occurs.

以上の結果から、電解単セル110Aの耐久性の向上のためには、気孔の平均径Dが0.50μm以下であることが好ましいと言え、また、n/Nの値が2.8以下であることも好ましいと言える。 From the above results, it can be said that in order to improve the durability of the electrolytic single cell 110A, it is preferable that the average diameter D of the pores is 0.50 μm or less, and that the value of n/N is 2.8 or less. It can also be said that it is desirable.

A-8.特定領域SAの各特性の特定方法:
燃料極116の特定領域SA(燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmまでの領域)の各特性(Sa、Sb/N、気孔の平均径D、n/N)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(ただし燃料極116の特定領域SAを含む位置)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。
A-8. How to identify each characteristic of specific area SA:
Method for specifying each characteristic (Sa, Sb/N, average diameter of pores D, n/N) of specific area SA of fuel electrode 116 (area where the distance from the interface with electrolyte layer 112 in fuel electrode 116 is up to 10 μm) is as follows. First, a vertically parallel cross section of the single cell 110 (a cross section including the fuel electrode 116 (active layer 320)) is arbitrarily set, and an arbitrary position in the cross section (a position including a specific area SA of the fuel electrode 116) is set. ), an FIB-SEM (acceleration voltage: 1.5 kV) SEM image (for example, 5000 times magnification) in which the active layer 320 is captured is obtained.

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 electrolyte layer 112 and the active layer 320 can be identified based on the difference in constituent materials between the electrolyte layer 112 and the active layer 320, visual recognition, and the like. In addition, in the above SEM image, the boundary B2 between the active layer 320 and the support layer 310 can be specified based on the difference in Ni content, average particle size of Ni, porosity, etc. between the active layer 320 and the support layer 310. I can do it.

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 electron conductive material (Ni particles Pn in this embodiment) and the particles of the ion conductive material (YSZ particles Py in this embodiment) can be distinguished using, for example, the difference in brightness in the SEM image. It 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 method for identifying the Ni particle Pn region and the YSZ particle Py region from the three regions depending on the brightness. Since the elements can be identified by SEM-EDS, the Ni particle Pn region and the YSZ particle Py region can be identified from the SEM image. Further, the remaining region among the three regions according to the brightness can be identified as a region of pores PO.

上記SEM画像において、特定領域SA(燃料極116における電解質層112との界面からの距離が10μmまでの領域)の面積を特定すると共に、特定領域SAに存在する各YSZ粒子Pyの面積を特定し、特定領域SAの面積に対する各イオン伝導性酸化物(本実施形態では、YSZ粒子Py)の面積の合計の割合を算出することにより、特定領域SAのイオン伝導性酸化物の面積率(特定領域SAの面積に対する各イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合)Saを特定する。また、特定領域SAに存在する各気孔POの面積を特定し、特定領域SAの面積に対する各気孔POの面積の合計の割合を算出することにより、特定領域SAの気孔面積率(特定領域SAの面積に対する特定領域SAに存在する各気孔POの面積の合計の割合)Sbを特定する。上記SEM画像において、気孔の総数を画像解析ソフトによりカウントし、特定領域SAの面積を該個数で除すことにより、N(特定領域SAにおける単位面積あたりの気孔の個数)を特定することができる。このとき、Nが100以上となるように特定領域SAの範囲を設定するとデータの信頼性の観点で望ましい。SbをNで除すことにより、Sb/Nの値を特定することができる。 In the above SEM image, the area of the specific area SA (the area where the distance from the interface with the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is up to 10 μm) is specified, and the area of each YSZ particle Py existing in the specific area SA is specified. , by calculating the ratio of the total area of each ion conductive oxide (YSZ particles Py in this embodiment) to the area of the specific area SA, the area ratio of the ion conductive oxide in the specific area SA (specific area Specify Sa (the ratio of the total area of each ion conductive oxide to the area of SA). In addition, by specifying the area of each pore PO existing in the specific area SA and calculating the ratio of the total area of each pore PO to the area of the specific area SA, the pore area ratio of the specific area SA (the area of the specific area SA The ratio (ratio of the total area of each pore PO existing in the specific area SA to the area) Sb is specified. In the above SEM image, N (the number of pores per unit area in the specific area SA) can be determined by counting the total number of pores using image analysis software and dividing the area of the specific area SA by the number. . At this time, it is desirable from the viewpoint of data reliability to set the range of the specific area SA so that N is 100 or more. By dividing Sb by N, the value of Sb/N can be determined.

気孔の平均径Dについては、インターセプト法を用いて算出することができる。上記SEM画像において、各気孔POが略球形状であると仮定し、当該SEM画像における特定領域SA上に引いた線が各気孔POを横切る長さの平均値を1.5倍することによって、各気孔POの平均径Dを算出することにより、当該平均径Dを特定することができる。 The average diameter D of pores can be calculated using an intercept method. In the above SEM image, assuming that each pore PO is approximately spherical, by multiplying by 1.5 the average length of the line drawn on the specific area SA in the SEM image across each pore PO, By calculating the average diameter D of each pore PO, the average diameter D can be specified.

上記SEM画像において、三相界面Iの数を画像解析ソフトによりカウントすることにより、n(特定領域SAにおける単位面積あたりの三相界面Iの個数)を特定することができる。このとき、nが100以上となるように特定領域SAの範囲を設定するとデータの信頼性の観点で望ましい。 In the above SEM image, by counting the number of three-phase interfaces I using image analysis software, n (the number of three-phase interfaces I per unit area in the specific area SA) can be specified. At this time, it is desirable from the viewpoint of data reliability to set the range of the specific area SA so that n is 100 or more.

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 into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における単セル110(または、電解単セル110A。以下、同様)または燃料電池スタック100(または、電解セルスタック100A。以下、同様)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、電解質層112に含まれる固体酸化物は、YSZであるが、YSZに換えて、YSZ以外の物質(例えば、ScSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、LSGM(LaSrGaMgO系ペロブスカイト酸化物))であってもよい。 The configuration of the single cell 110 (or electrolytic single cell 110A, hereinafter the same) or fuel cell stack 100 (or electrolytic cell stack 100A, the same hereinafter) in the above embodiment is just an example, and can be modified in various ways. . For example, in the above embodiment, the solid oxide contained in the electrolyte layer 112 is YSZ, but instead of YSZ, a substance other than YSZ (for example, ScSZ (scandium stabilized zirconia), LSGM (LaSrGaMgO 3 -based perovskite oxide) is used). (object)) may be used.

また、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。また、燃料極116は、支持層310を備えていなくてもよい。 Further, in the above embodiment, the fuel electrode 116 has a two-layer structure including the active layer 320 and the support layer 310, but it is assumed that the fuel electrode 116 includes layers other than the active layer 320 and the support layer 310. Good too. Further, the fuel electrode 116 does not need to include the support layer 310.

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は、Niであるが、Niに換えて、NiとNi以外の金属とを含む金属(例えば、NiとCoとを含む合金など)であってもよい。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酸化物は、酸素イオン伝導性を有する物質であるYSZであるが、YSZに換えて、YSZ以外の酸素イオン伝導性を有する物質であってもよい。燃料極116の活性層320に含まれるイオン伝導性酸化物は、酸素イオン以外のイオン(例えば、プロトン)の伝導性を有する物質であってもよい。 In the above embodiment, the electron conductive material contained in the active layer 320 of the fuel electrode 116 is Ni, but instead of Ni, a metal containing Ni and a metal other than Ni (for example, a metal containing Ni and Co) is used. alloy, etc.). Further, in the above embodiment, the ion conductive oxide contained in the active layer 320 of the fuel electrode 116 is YSZ, which is a substance having oxygen ion conductivity. It may be a substance that has The ion-conductive oxide contained in the active layer 320 of the fuel electrode 116 may be a substance having conductivity for ions other than oxygen ions (for example, protons).

燃料電池スタック100は、電解質層112における図7に示す断面以外の断面であって、上下方向(Z軸方向)に平行な断面(以下、「別の断面」という。)において、上記の式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54とを満たす構成であってもよい。この構成においても、式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54とを満たすことにより、上述した理由と同様の理由から、Niの凝集を抑制することができ、これにより燃料電池スタック100の性能が向上させることができる。さらに、別の断面において、特定領域SAにおける気孔の平均径Dは、0.50μm以下である構成であってもよい。この構成においても、当該平均径Dが0.50μm以下であることにより、上述した理由と同様の理由から、Niの凝集を抑制することができ、これにより燃料電池スタック100の性能を向上させることができる。さらに、別の断面において、上記の式(3):n/N≦2.8を満たす構成であってもよい。この構成においても、n/N≦2.8を満たすことにより、上述した理由と同様の理由から、Niの凝集を抑制することができ、燃料電池スタック100の性能を向上させることができる。これらの構成においては、別の断面は、特許請求の範囲における「第1の方向に平行な少なくとも1つの断面」に相当する。 The fuel cell stack 100 has a cross section of the electrolyte layer 112 other than the cross section shown in FIG. 1): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54 may be satisfied. Also in this configuration, by satisfying formula (1): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54, agglomeration of Ni can be suppressed for the same reason as described above. Thereby, the performance of the fuel cell stack 100 can be improved. Furthermore, in another cross section, the average diameter D of the pores in the specific area SA may be 0.50 μm or less. Also in this configuration, since the average diameter D is 0.50 μm or less, agglomeration of Ni can be suppressed for the same reason as described above, thereby improving the performance of the fuel cell stack 100. I can do it. Furthermore, in another cross section, a configuration may be adopted that satisfies the above formula (3): n/N≦2.8. Also in this configuration, by satisfying n/N≦2.8, agglomeration of Ni can be suppressed for the same reason as described above, and the performance of the fuel cell stack 100 can be improved. In these configurations, another cross section corresponds to "at least one cross section parallel to the first direction" in the claims.

上記実施形態では、燃料電池スタック100は、式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54とを満たしている。耐久性等を考慮すると、Saの値は、37以上であることがより好ましい。また、同時に単セル110の耐久性の確保等を考慮すると、Saの値は、50以下であることが好ましい。耐久性等を考慮すると、Sb/Nの値は、40以下であることがより好ましい。また、同時に単セル110の耐久性の確保等を考慮すると、Sb/Nの値は、5以上であることが好ましい。 In the above embodiment, the fuel cell stack 100 satisfies formula (1): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54. Considering durability and the like, the value of Sa is more preferably 37 or more. Further, at the same time, considering ensuring the durability of the single cell 110, the value of Sa is preferably 50 or less. Considering durability and the like, the value of Sb/N is more preferably 40 or less. Further, at the same time, considering ensuring the durability of the single cell 110, etc., the value of Sb/N is preferably 5 or more.

上記実施形態では、燃料電池スタック100は、特定領域SAにおける気孔の平均径Dが0.50μm以下である。耐久性等を考慮すると、平均径Dは、0.45μm以下であることがより好ましい。また、同時に単セル110の耐久性の確保等を考慮すると、平均径Dは、0.2μm以上であることが好ましい。 In the embodiment described above, in the fuel cell stack 100, the average diameter D of the pores in the specific area SA is 0.50 μm or less. Considering durability and the like, the average diameter D is more preferably 0.45 μm or less. Moreover, at the same time, considering ensuring the durability of the single cell 110, the average diameter D is preferably 0.2 μm or more.

上記実施形態では、燃料電池スタック100は、上記の式(3):n/N≦2.8を満たしている。耐久性等を考慮すると、n/Nの値は、2.4以下であることがより好ましい。また、同時に単セル110の耐久性の確保等を考慮すると、n/Nの値は、1.5以上であることが好ましい。 In the above embodiment, the fuel cell stack 100 satisfies the above formula (3): n/N≦2.8. Considering durability and the like, the value of n/N is more preferably 2.4 or less. Furthermore, in consideration of securing the durability of the single cell 110, etc., the value of n/N is preferably 1.5 or more.

上記実施形態において、電解質層112と空気極114との間に中間層180が配置されず、電解質層112と空気極114とが直接接続されていてもよい。 In the above embodiment, the intermediate layer 180 may not be disposed between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114, and the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 may be directly connected.

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、上記の式(1):Sa≧30と、式(2):Sb/N≦54とを満たしている必要はなく、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、金属の凝集を抑制することができ、これにより燃料電池スタック100の性能を向上させることができると言える。 Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is just an example, and the number of single cells 110 is determined as appropriate depending on the output voltage required of the fuel cell stack 100 and the like. In the above embodiment, all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100 do not necessarily have to satisfy the above formula (1): Sa≧30 and formula (2): Sb/N≦54. It can be said that if the condition is satisfied for at least one single cell 110 included in the fuel cell stack 100, metal aggregation can be suppressed, and thereby the performance of the fuel cell stack 100 can be improved. .

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

22:ボルト 22A:ボルト 22B:ボルト 22D:ボルト 22E:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 100:燃料電池スタック 100A:電解セルスタック 102:発電単位 102A:電解セル単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 110A:電解単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 130:空気極側フレーム 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 140:燃料極側フレーム 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 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 22A: Bolt 22B: Bolt 22D: Bolt 22E: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 100: Fuel cell stack 100A: Electrolytic cell stack 102: Power generation unit 102A: Electrolytic cell unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 110A: Electrolytic single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 130: Air electrode side frame 132: Oxidizing gas supply communication hole 133: Oxidizing agent Gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 140: Fuel electrode side frame 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidation Agent gas introduction manifold 162: Oxidizing gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 180: Intermediate layer

Claims (4)

固体酸化物を含む電解質層と、
前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された空気極と、
前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された燃料極であって、Niを含む金属と、イオン伝導性酸化物とを含む燃料極と、を備える電気化学セルであって、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記燃料極における前記電解質層との界面からの距離が10μmまでの領域である特定領域について、前記特定領域の面積に対する各前記イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合である面積率をSa%とし、前記特定領域の面積に対する前記特定領域に存在する各気孔の面積の合計の割合である気孔面積率をSb%とし、前記特定領域における単位面積あたりの前記気孔の個数をN個/μmとしたとき、式(1):Sa≧30と、式(2):5≦Sb/N≦54と、を満た
前記特定領域における前記気孔の平均径Dは、0.2μm以上0.50μm以下であり、
前記気孔の平均径Dが、前記電気化学セルにおける前記断面のSEM画像を取得し、前記各気孔が略球形状であると仮定し、前記SEM画像の前記特定領域上に引いた線が前記各気孔を横切る長さの平均値を1.5倍することによって算出される、
ことを特徴とする電気化学セル。
an electrolyte layer containing a solid oxide;
an air electrode disposed on one side of the electrolyte layer in the first direction;
An electrochemical cell comprising: a fuel electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction, the fuel electrode containing a metal containing Ni and an ion-conductive oxide;
In at least one cross section parallel to the first direction, each of the ion-conducting oxides with respect to the area of the specific region has a distance of up to 10 μm from the interface with the electrolyte layer in the fuel electrode. The area ratio, which is the ratio of the total area of the object, is Sa%, and the pore area ratio, which is the ratio of the total area of each pore existing in the specific area to the area of the specific area, is Sb%. When the number of pores per unit area is N pores/ μm2 , formula (1): Sa≧30 and formula (2): 5≦ Sb/N≦54 are satisfied ,
The average diameter D of the pores in the specific region is 0.2 μm or more and 0.50 μm or less,
The average diameter D of the pores is determined by acquiring a SEM image of the cross section in the electrochemical cell, assuming that each pore has a substantially spherical shape, and a line drawn on the specific area of the SEM image representing each of the pores. Calculated by multiplying the average length across the pores by 1.5,
An electrochemical cell characterized by:
固体酸化物を含む電解質層と、
前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された空気極と、
前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された燃料極であって、Niを含む金属と、イオン伝導性酸化物とを含む燃料極と、を備える電気化学セルであって、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記燃料極における前記電解質層との界面からの距離が10μmまでの領域である特定領域について、前記特定領域の面積に対する各前記イオン伝導性酸化物の面積の合計の割合である面積率をSa%とし、前記特定領域の面積に対する前記特定領域に存在する各気孔の面積の合計の割合である気孔面積率をSb%とし、前記特定領域における単位面積あたりの前記気孔の個数をN個/μm としたとき、式(1):Sa≧30と、式(2):5≦Sb/N≦54と、を満たし、
前記特定領域において単位面積あたりの前記金属と前記イオン伝導性酸化物と前記気孔が交わる三相界面の個数をn個/μm としたとき、式(3):1.5≦n/N≦2.8を満たす、
ことを特徴とする電気化学セル。
an electrolyte layer containing a solid oxide;
an air electrode disposed on one side of the electrolyte layer in the first direction;
An electrochemical cell comprising: a fuel electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction, the fuel electrode containing a metal containing Ni and an ion-conductive oxide;
In at least one cross section parallel to the first direction, each of the ion-conducting oxides with respect to the area of the specific region has a distance of up to 10 μm from the interface with the electrolyte layer in the fuel electrode. The area ratio, which is the ratio of the total area of the object, is Sa%, and the pore area ratio, which is the ratio of the total area of each pore existing in the specific area to the area of the specific area, is Sb%. When the number of pores per unit area is N pores/μm2 , formula (1): Sa≧30 and formula (2): 5≦Sb/N≦54 are satisfied,
When the number of three-phase interfaces where the metal, the ion conductive oxide, and the pores intersect per unit area in the specific region is n pieces/μm2, formula (3): 1.5≦n/N 2.8 is satisfied.
An electrochemical cell characterized by:
請求項1に記載の電気化学セルにおいて、
前記特定領域において単位面積あたりの前記金属と前記イオン伝導性酸化物と前記気孔が交わる三相界面の個数をn個/μmとしたとき、式(3):1.5≦n/N≦2.8を満たす、
ことを特徴とする電気化学セル。
The electrochemical cell according to claim 1,
When the number of three-phase interfaces where the metal, the ion-conductive oxide, and the pores intersect per unit area in the specific region is n pieces/ μm2 , formula (3): 1.5≦ n/N≦ 2.8 is satisfied.
An electrochemical cell characterized by:
複数の電気化学セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学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 cells,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the plurality of electrochemical cells is the electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3.
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