JP7494354B2 - Electrochemical cell and method for producing the same, electrochemical module, and electrochemical cartridge - Google Patents

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Description

本開示は、電気化学セルおよびその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジに関するものである。 This disclosure relates to electrochemical cells and manufacturing methods thereof, electrochemical modules, and electrochemical cartridges.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、燃料極、固体電解質膜、空気極から構成された単素子(セル)と、隣接するセル同士を電気的に接続させるインターコネクタとを備えている。1つのセル当たりの発電電圧は小さいが、複数のセルを直列に接続してセルスタックとすることで、電圧を高め、実用の出力を得ることができる。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is equipped with a single element (cell) consisting of a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode, and an interconnector that electrically connects adjacent cells. Although the generated voltage per cell is small, by connecting multiple cells in series to form a cell stack, it is possible to increase the voltage and obtain a practical output.

セルスタックでは、燃料極に燃料ガスが供給され、空気極に酸素などの酸化性ガスが供給されると、空気極に供給された酸化性ガス中の酸素がイオン化されて固体電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素イオンと燃料ガスとの電気化学反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生して、この電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。 In a cell stack, when fuel gas is supplied to the fuel electrode and an oxidizing gas such as oxygen is supplied to the air electrode, the oxygen in the oxidizing gas supplied to the air electrode is ionized and passes through the solid electrolyte membrane to reach the fuel electrode. An electrochemical reaction occurs between the oxygen ions that have reached the fuel electrode and the fuel gas, generating a potential difference between the fuel electrode and the air electrode, and electricity is generated by extracting this potential difference to the outside.

SOFCの最大の特徴はその高い発電効率にある。そのためSOFCでは、発電時のセルの劣化耐性を保持しつつ、より高い出力密度の実現が要求されている。発電性能の向上および劣化挙動には、電極および電解質の表面および界面の挙動を理解することが重要である。(非特許文献1参照) The greatest feature of SOFCs is their high power generation efficiency. Therefore, there is a demand for SOFCs to achieve higher power density while maintaining resistance to cell degradation during power generation. To improve power generation performance and degradation behavior, it is important to understand the behavior of the surfaces and interfaces of the electrodes and electrolytes. (See Non-Patent Document 1)

大友順一郎,「固体電解質形燃料電池の材料開発と構造制御による高性能化」,表面化学,Vol.32,No.2,pp.93-98,2011Junichiro Otomo, "Material development of solid oxide fuel cells and high performance through structural control", Surface Chemistry, Vol. 32, No. 2, pp. 93-98, 2011

セルにおいて、空気極と固体電解質膜との界面部分には、大きな界面抵抗が存在する。非特許文献1に記載されているように、空気極と固体電解質膜との界面における抵抗を低減する策の1つとして、空気極と固体電解質膜との間にセリア系酸化物の緻密な中間層を導入する方法が知られている。 In a cell, a large interfacial resistance exists at the interface between the air electrode and the solid electrolyte membrane. As described in Non-Patent Document 1, one method for reducing the resistance at the interface between the air electrode and the solid electrolyte membrane is to introduce a dense intermediate layer of ceria-based oxide between the air electrode and the solid electrolyte membrane.

しかしながら、セリア系酸化物の中間層上に電子導電性を有する空気極を積層させた場合、空気極と中間層との間の界面抵抗が高くなる場合がある。 However, when an electronically conductive air electrode is laminated on an intermediate layer of a ceria-based oxide, the interfacial resistance between the air electrode and the intermediate layer may become high.

固体電解質膜と空気極との界面では、酸素の吸着解離移動を伴い三相界面で電極反応が生じる。三相界面とは、イオン導電(電解質)、酸素供給(ガス拡散)および電子供給(電子導電性)の三相が共存する界面である。 At the interface between the solid electrolyte membrane and the air electrode, an electrode reaction occurs at the three-phase interface, accompanied by the adsorption, dissociation, and movement of oxygen. A three-phase interface is an interface where three phases coexist: ion conduction (electrolyte), oxygen supply (gas diffusion), and electron supply (electronic conductivity).

図10に、従来のセルの空気極側の模式図を示す。固体電解質膜111の上に、空気極113’が形成されている。空気極113’は、空気極中間層113a’と空気極導電層113b’とを含む。空気極中間層113a’は酸化雰囲気でイオン導電性であるため、電解質として機能する。空気極中間層113a’および空気極導電層113b’に含まれる気孔Pが酸素ガス拡散経路となり得る。空気極導電層113b’は電子導電性を有する。図10では、空気極中間層113a’と空気極導電層113b’との界面が三相界面場となり得る。 Figure 10 shows a schematic diagram of the cathode side of a conventional cell. An cathode 113' is formed on a solid electrolyte membrane 111. The cathode 113' includes an cathode intermediate layer 113a' and an cathode conductive layer 113b'. The cathode intermediate layer 113a' is ionically conductive in an oxidizing atmosphere and therefore functions as an electrolyte. Pores P included in the cathode intermediate layer 113a' and the cathode conductive layer 113b' can serve as oxygen gas diffusion paths. The cathode conductive layer 113b' has electronic conductivity. In Figure 10, the interface between the cathode intermediate layer 113a' and the cathode conductive layer 113b' can be a three-phase interface field.

しかしながら、空気極中間層113a’の主成分であるセリア系酸化物は、電子導電性を有していない。そのため空気極中間層113a’では、電子が通過できず、空気極113’側の三相界面場は、空気極中間層113a’と空気極導電層113b’との界面のみとなり、電極の界面抵抗が高くなる。 However, the ceria-based oxide, which is the main component of the air electrode intermediate layer 113a', does not have electronic conductivity. Therefore, electrons cannot pass through the air electrode intermediate layer 113a', and the three-phase interface field on the air electrode 113' side is only the interface between the air electrode intermediate layer 113a' and the air electrode conductive layer 113b', resulting in high interface resistance of the electrode.

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも酸素極中間層と酸素極導電層との界面の抵抗を低減させた電気化学セルとその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジを提供することを目的とする。 This disclosure has been made in light of these circumstances, and aims to provide an electrochemical cell that reduces the resistance at the interface between the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer compared to conventional electrochemical cells, a manufacturing method thereof, an electrochemical module, and an electrochemical cartridge.

上記課題を解決するために、本開示の電気化学セルおよびその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジは以下の手段を採用する。 To solve the above problems, the electrochemical cell and its manufacturing method, electrochemical module, and electrochemical cartridge disclosed herein employ the following measures.

本開示は、水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体であり、かつ、気孔、第1組織および第2組織を有し、前記第1組織は、50原子%以上のCeを含み、かつ、Ca,SrおよびMnを含まず、前記第2組織は、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含み、前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上60%以下である電気化学セルを提供する。 The present disclosure provides an electrochemical cell in which a hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are laminated in this order, the oxygen electrode including, from the solid electrolyte membrane side, an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer, the oxygen electrode conductive layer being a sintered body of a material including a perovskite oxide represented by a general formula ABO3 , in which an A site is La and Sr and/or Ca, and a B site is Mn, the oxygen electrode intermediate layer being a sintered body of a material including Sm-doped ceria, and having pores, a first texture, and a second texture, the first texture including 50 atomic % or more of Ce and not including Ca, Sr, or Mn, the second texture including an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn, and the area ratio of the second texture in a cross section of the oxygen electrode intermediate layer being 20% or more and 60% or less of the total area of the first texture and the second texture.

本開示は、上記開示に記載の電気化学セルを備えた電気化学モジュールを提供する。 The present disclosure provides an electrochemical module including the electrochemical cell described above.

本開示は、上記開示に記載の電気化学モジュールを備えた電気化学カートリッジを提供する。 The present disclosure provides an electrochemical cartridge having the electrochemical module described in the above disclosure.

本開示は、水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体である電気化学セルの製造方法であって、前記酸素極中間層の断面において、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織が、前記断面の気孔を除いた総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を取得し、取得した前記条件に従って、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層を共焼結して前記酸素極中間層を形成する電気化学セルの製造方法を提供する。 The present disclosure provides a method for manufacturing an electrochemical cell in which a hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are laminated in this order, the oxygen electrode including, from the solid electrolyte membrane side, an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer, the oxygen electrode conductive layer being a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by a general formula ABO3 , in which the A site is La and Sr and/or Ca, and the B site is Mn, and the oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing Sm-doped ceria, the method comprising obtaining conditions under which a structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is formed in 20% or more and 60% or less of a total area excluding pores in a cross section of the oxygen electrode intermediate layer, and co-sintering the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer in accordance with the obtained conditions to form the oxygen electrode intermediate layer.

上記ペロブスカイト酸化物を含む材料を焼結してなる酸素極導電層は、電子導電性を有する。Smドープされたセリアを含む材料を焼結してなる酸素極中間層は、イオン導電性を有する。酸素極を酸素極導電層と酸素極中間層との2層構成にすることで、固体電解質膜と酸素極との界面抵抗を低減できる。 The oxygen electrode conductive layer, which is formed by sintering a material containing the perovskite oxide, has electronic conductivity. The oxygen electrode intermediate layer, which is formed by sintering a material containing Sm-doped ceria, has ionic conductivity. By forming the oxygen electrode into a two-layer structure consisting of an oxygen electrode conductive layer and an oxygen electrode intermediate layer, the interface resistance between the solid electrolyte membrane and the oxygen electrode can be reduced.

Smドープされたセリア由来の元素を主成分とする第1組織は、イオン導電の機能を担う。Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含む第2組織は、電子導電の機能を担う。酸素極中間層の断面の総面積が一定である場合、第2組織が増えると第1組織の割合が低下して酸素極中間層のイオン導電性は低下し、第1組織が増えると第2組織の割合が低下して酸素極中間層の電子導電性は低下する。酸素極中間層の断面における第2組織の面積率を酸素極中間層の断面における第1組織および前記第2組織の総面積に対して20%以上60%以下とすることで、酸素極中間層内においてイオンパスを確保しつつ、電子パスを形成できる。 The first structure, which is mainly composed of elements derived from Sm-doped ceria, performs the function of ion conductivity. The second structure, which contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn, performs the function of electronic conductivity. When the total area of the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is constant, as the second structure increases, the proportion of the first structure decreases, and the ionic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases, and as the first structure increases, the proportion of the second structure decreases, and the electronic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases. By setting the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer to 20% to 60% of the total area of the first structure and the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer, it is possible to form an electronic path while securing an ion path in the oxygen electrode intermediate layer.

ガス経路となる気孔、イオン導電性の第1組織および電子導電性の第2組織が含まれるようにすることで、酸素極中間層内部に3次元的に電極反応場(三相界面)が拡大する。これにより、酸素極導電層と酸素極中間層との界面での抵抗が低減される。 By including pores that serve as gas paths, a first ionically conductive structure, and a second electronically conductive structure, the electrode reaction field (three-phase interface) expands three-dimensionally inside the oxygen electrode intermediate layer. This reduces the resistance at the interface between the oxygen electrode conductive layer and the oxygen electrode intermediate layer.

本開示の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of a cell stack according to the present disclosure. 本開示の一実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示す図である。FIG. 2 illustrates an embodiment of a SOFC module according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の一実施形態に係るSOFCカートリッジの断面の一態様を示す図である。FIG. 2 illustrates one embodiment of a cross-section of a SOFC cartridge according to an embodiment of the present disclosure. 試験体の空気極中間層の断面の走査型電子顕微鏡写真である。1 is a scanning electron microscope photograph of a cross section of an air electrode intermediate layer of a test specimen. エネルギー分散型X線分析(EDX)の半定量分析結果の図表である。1 is a diagram showing semi-quantitative analysis results of energy dispersive X-ray analysis (EDX). Mn,Ca,Srが試験体の電子導電性に与える影響について説明するグラフである。1 is a graph illustrating the effects of Mn, Ca, and Sr on the electronic conductivity of a test specimen. 図6から読み取った数値をまとめた図表である。7 is a chart summarizing the values read from FIG. 6. 空気極中間層における第2組織の割合と電子導電率との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the proportion of the second texture in the air electrode intermediate layer and electronic conductivity. 本開示の一実施形態に係る燃料電池セルの断面(空気極側)の模式図である。1 is a schematic diagram of a cross section (air electrode side) of a fuel cell according to an embodiment of the present disclosure. 従来の燃料電池セルの断面(空気極側)の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a cross section (air electrode side) of a conventional fuel cell.

以下に、本開示に係る電気化学セルとその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジの一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の燃料電池セルに関する記載は、電気化学セルに適宜置き換えて読むものとする。 Below, an embodiment of the electrochemical cell and its manufacturing method, electrochemical module, and electrochemical cartridge according to the present disclosure will be described with reference to the drawings. Note that the following description of the fuel cell should be read as appropriate substituting the term electrochemical cell.

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」および「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。 In the following, for ease of explanation, the positional relationship of each component is described using the expressions "above" and "below" with respect to the paper surface, indicating the vertically upper side and vertically lower side, respectively. Also, in this embodiment, for those that can obtain the same effect in the vertical direction and the horizontal direction, the vertical direction on the paper surface is not necessarily limited to the vertically upper and lower directions, but may correspond to, for example, a horizontal direction perpendicular to the vertical direction.

また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形(筒状)を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極(燃料極もしくは空気極)が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。 In the following, a cylindrical (tubular) cell stack for a solid oxide fuel cell (SOFC) is described as an example, but this is not necessarily the case and a flat cell stack may be used, for example. The fuel cell is formed on a substrate, but instead of a substrate, an electrode (fuel electrode or air electrode) may be formed thick and serve as the substrate as well.

(円筒形セルスタックの構造)
まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒(Flat tubular)等のセルスタックでもよい。ここで、図1は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
(Cylindrical cell stack structure)
First, referring to FIG. 1, a cylindrical cell stack using a substrate tube will be described as an example according to this embodiment. When a substrate tube is not used, for example, the fuel electrode may be formed thick and used as the substrate tube, and the use of the substrate tube is not limited. In addition, the substrate tube in this embodiment will be described as having a cylindrical shape, but the substrate tube may be cylindrical and is not necessarily limited to a circular cross section, and may be, for example, elliptical. A cell stack such as a flat tubular cylinder in which the peripheral side surface of a cylinder is crushed vertically may also be used. Here, FIG. 1 shows one aspect of a cell stack according to this embodiment.

セルスタック101は、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質膜111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。 The cell stack 101 includes, for example, a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer circumferential surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 also includes a lead film 115 electrically connected via the interconnector 107 to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end of the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer circumferential surface of the base tube 103, and a lead film 115 electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end of the outer circumferential surface.

(セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明)
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、またはY安定化ZrO(YSZ)、またはMgAlなどを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
(Description of materials and functions of each component of the cell stack)
The base tube 103 is made of a porous material and is mainly composed of, for example, CaO-stabilized ZrO2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), Y2O3 - stabilized ZrO2 (YSZ), or MgAl2O4 . This base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and diffuses the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103 to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103.

燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50μm~250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H)および一酸化炭素(CO)と、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン(O2-)とを固体電解質膜111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)および二酸化炭素(CO)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体酸化物形燃料電池の燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、および石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
The fuel electrode 109 is made of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and Ni/YSZ is used, for example. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the fuel electrode 109 may be formed by screen printing a slurry. In this case, the Ni component of the fuel electrode 109 has a catalytic effect on the fuel gas. This catalytic effect is to react with the fuel gas supplied through the substrate tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reform it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). The fuel electrode 109 also electrochemically reacts the hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming with oxygen ions (O 2- ) supplied through the solid electrolyte membrane 111 near the interface with the solid electrolyte membrane 111 to generate water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electricity from the electrons released from the oxygen ions.
Fuel gases that can be supplied to the fuel electrode 109 of a solid oxide fuel cell and used include hydrocarbon gases such as hydrogen ( H2 ), carbon monoxide (CO), and methane ( CH4 ), city gas, and natural gas, as well as gasified gases produced by gasification equipment from carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal.

固体電解質膜111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2-)を燃料極109に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質膜111の膜厚は10μm~100μmであり固体電解質膜111はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。 YSZ, which has airtightness that makes it difficult for gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperatures, is mainly used for the solid electrolyte membrane 111. This solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 109. The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen printing a slurry.

空気極113は、空気極113は、固体電解質膜111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2-)を生成するものである。空気極113はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。 The air electrode 113 dissociates oxygen in an oxidizing gas such as air supplied thereto near the interface with the solid electrolyte membrane 111 to generate oxygen ions (O 2− ). The air electrode 113 is coated with a slurry by screen printing or using a dispenser.

酸化性ガスとは,酸素を略15%~30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。 An oxidizing gas is a gas that contains approximately 15% to 30% oxygen. Air is a typical example, but other gases such as a mixture of combustion exhaust gas and air, or a mixture of oxygen and air can also be used.

空気極113は、空気極中間層113aおよび空気極導電層113bを含む。空気極中間層113aは固体電解質膜111およびインターコネクタ107に接触配置されている。空気極導電層113bは、空気極中間層113a上に、接触配置されている。 The air electrode 113 includes an air electrode intermediate layer 113a and an air electrode conductive layer 113b. The air electrode intermediate layer 113a is disposed in contact with the solid electrolyte membrane 111 and the interconnector 107. The air electrode conductive layer 113b is disposed on and in contact with the air electrode intermediate layer 113a.

空気極導電層113bは、電子導電性を有する。空気極導電層113bの膜厚は、20μm以上1500μm以下である。円筒形セルスタックに適用される場合、空気極導電層113bの膜厚は500μm以上1500μm以下であってよい。 The cathode conductive layer 113b has electronic conductivity. The thickness of the cathode conductive layer 113b is 20 μm or more and 1500 μm or less. When applied to a cylindrical cell stack, the thickness of the cathode conductive layer 113b may be 500 μm or more and 1500 μm or less.

空気極導電層113bの材料は、一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物である。一般式ABOにおいて、Aサイトは、La,SrおよびCaからなる群から選択される。BサイトはMnである。一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物は、例えば、Srおよび/またはCaがドープされたLaMnOである。SrおよびCaがドープされたLaMnOは、一般的な固相混合法または液相混合法にて製造され得る。La,Mn,Sr,およびCaの含有量は、原料混合時に調整され得る。 The material of the cathode conductive layer 113b is a perovskite oxide represented by the general formula ABO3 . In the general formula ABO3 , the A site is selected from the group consisting of La, Sr, and Ca. The B site is Mn. The perovskite oxide represented by the general formula ABO3 is, for example, LaMnO3 doped with Sr and/or Ca. LaMnO3 doped with Sr and Ca can be produced by a general solid-phase mixing method or liquid-phase mixing method. The contents of La, Mn, Sr, and Ca can be adjusted when the raw materials are mixed.

一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物は、Aサイト欠損組成であってよい。Aサイト欠損組成では、A/Bモル比が0.90以上0.98以下であることが好ましい。例えば、A=0.95mol,B=1.00mol,A/Bモル比0.95とすることで、Aサイトが欠損し、Bサイトが過剰な組成となる。 The perovskite oxide represented by the general formula ABO3 may have an A-site deficient composition. In the A-site deficient composition, the A/B molar ratio is preferably 0.90 to 0.98. For example, by setting A=0.95 mol, B=1.00 mol, and the A/B molar ratio to 0.95, the A-site is deficient and the B-site is excessive.

一般式ABOで表されるペロブスカイト酸化物は、Aサイト過剰組成であってよい。Aサイト過剰組成では、A/B比が1.02以上1.10以下であることが好ましい。例えば、A=1.05mol,B=1.00mol,A/B比1.05とすることで、Bサイトが欠損し、Aサイトが過剰となる。 The perovskite oxide represented by the general formula ABO3 may have an A-site excess composition. In the A-site excess composition, the A/B ratio is preferably 1.02 to 1.10. For example, when A=1.05 mol, B=1.00 mol, and the A/B ratio is 1.05, the B site is deficient and the A site is excessive.

空気極中間層113aは、イオン導電性および電子導電性を有する。空気極中間層113aの膜厚は、10μm以上20μm以下である。 The air electrode intermediate layer 113a has ionic conductivity and electronic conductivity. The thickness of the air electrode intermediate layer 113a is 10 μm or more and 20 μm or less.

空気極中間層113aは、気孔、第1組織および第2組織を有する。空気極中間層113aにおける第2組織の面積率は、該断面での第1組織および第2組織の総面積に対し、20%以上60%以下、好ましくは30%以上40%以上である。空気極中間層113aの断面において、気孔の面積率は、該断面での気孔、第1組織および第2組織の総面積に対し、5%以上50%以下であってよい。 The air electrode intermediate layer 113a has pores, a first texture, and a second texture. The area ratio of the second texture in the air electrode intermediate layer 113a is 20% to 60%, preferably 30% to 40%, of the total area of the first texture and the second texture in the cross section. In the cross section of the air electrode intermediate layer 113a, the area ratio of the pores may be 5% to 50% of the total area of the pores, the first texture, and the second texture in the cross section.

空気極中間層113aは、高いイオン導電性を有し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層113aの材料は、Smドープされたセリアである。Smドープされたセリアは、Sm1-xCe(0.8≦x≦0.9)であってよい。 The cathode intermediate layer 113a is made of a material having high ionic conductivity and excellent catalytic activity. The material of the cathode intermediate layer 113a is Sm-doped ceria. The Sm-doped ceria may be Sm 1-x Ce x O 2 (0.8≦x≦0.9).

空気極中間層113aの材料には、空気極導電層113bの材料のAサイトおよびBサイトの元素が添加されてもよい。元素の添加量は、Aサイト、Bサイトの元素のmol比で1.0以下である。 The material of the cathode intermediate layer 113a may be doped with elements in the A and B sites of the material of the cathode conductive layer 113b. The amount of the added elements is 1.0 or less in terms of the molar ratio of the elements in the A and B sites.

第1組織は、主にSmドープされたセリア由来の元素で構成されている。第1組織のCe含有量は50原子%以上である。第1組織は、Mn、Ca、Srを含まない。ここで「含まない」とは、0.4原子%以下であることを示す。 The first structure is composed mainly of elements derived from Sm-doped ceria. The Ce content of the first structure is 50 atomic % or more. The first structure does not contain Mn, Ca, or Sr. Here, "does not contain" indicates that the content is 0.4 atomic % or less.

第2組織は、Smドープされたセリア由来の元素と、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素(電子導電性元素)とを含む。第2組織のCe含有量は50原子%未満である。第2組織の電子導電性元素含有量は、0.5原子%以上50原子%以下であり得る。 The second structure contains an element derived from Sm-doped ceria and an element (electronically conductive element) selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn. The Ce content of the second structure is less than 50 atomic %. The electronically conductive element content of the second structure can be 0.5 atomic % or more and 50 atomic % or less.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1-xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M1 - xLxTiO3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO3 , and the slurry is screen-printed. The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas and the oxidizing gas do not mix. The interconnector 107 also has stable durability and electrical conductivity under both oxidizing and reducing atmospheres. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 to the fuel electrode 109 of the other fuel cell 105 in adjacent fuel cells 105, thereby connecting the adjacent fuel cells 105 in series.

リード膜115は、電子導電性を備えること、およびセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材やSrTiO系などのM1-xLxTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。 The lead film 115 is made of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, such as Ni/YSZ, or M1- xLxTiO3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO3 , since it is required to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the other materials constituting the cell stack 101. This lead film 115 conducts the DC power generated by the multiple fuel cell cells 105 connected in series by the interconnector 107 to the vicinity of the end of the cell stack 101.

(円筒形セルスタックの製造方法)
燃料極109,固体電解質膜111,インターコネクタ107,リード膜115,空気極中間層113a,空気極導電層113bの材料粉末それぞれに、水系ビヒクルを混合して各構成のスラリーを作製する。
(Manufacturing method of cylindrical cell stack)
A slurry for each component is prepared by mixing the material powders of the fuel electrode 109, solid electrolyte membrane 111, interconnector 107, lead membrane 115, air electrode intermediate layer 113a, and air electrode conductive layer 113b with an aqueous vehicle.

燃料極109、固体電解質膜111およびインターコネクタ107のスラリーの膜が形成された基体管103を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に1350℃~1450℃とされる。 The base tube 103 on which the fuel electrode 109, solid electrolyte membrane 111, and interconnector 107 slurry film are formed is co-sintered in air. The sintering temperature is specifically set to 1350°C to 1450°C.

つぎに、共焼結された基体管103上に、空気極中間層113aおよび空気極導電層113bのスラリーの膜が順次形成された基体管103が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に1100℃~1250℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管103~インターコネクタ107を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。 Next, the base tube 103 on which the slurry films of the air electrode intermediate layer 113a and the air electrode conductive layer 113b are successively formed on the co-sintered base tube 103 is sintered in the atmosphere. The sintering temperature is specifically set to 1100°C to 1250°C. The sintering temperature here is set to a lower temperature than the co-sintering temperature after the base tube 103 to the interconnector 107 are formed.

上記工程により、基体管103上に燃料電池セル105が形成された円筒形セルスタック101が得られる。 The above process results in a cylindrical cell stack 101 in which fuel cells 105 are formed on a base tube 103.

空気極中間層113aおよび空気極導電層113bの材料組成、焼結温度、焼結手順については、空気極中間層113a中に、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織(第2組織)が、気孔を除いた前記空気極中間層の総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を予備試験等で取得する。該取得した上記にしたがって空気極中間層113aを形成する。 Regarding the material composition, sintering temperature, and sintering procedure of the air electrode intermediate layer 113a and the air electrode conductive layer 113b, the conditions under which a structure (second structure) containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is formed in the air electrode intermediate layer 113a in an amount of 20% to 60% of the total area of the air electrode intermediate layer excluding pores are obtained through preliminary tests, etc. Air electrode intermediate layer 113a is formed according to the above obtained.

例えば、空気極中間層113aと空気極導電層113bとを共焼結することで、空気極導電層113bに含まれる元素が空気極中間層113aに拡散される。それにより、空気極中間層113aに第2組織が形成される。 For example, by co-sintering the cathode intermediate layer 113a and the cathode conductive layer 113b, the elements contained in the cathode conductive layer 113b are diffused into the cathode intermediate layer 113a. This forms a second structure in the cathode intermediate layer 113a.

空気極導電層113bの材料がAサイト欠損組成である場合、ペロブスカイト構造の化学量論比組成に対して過剰となるMnが空気極中間層113aに多く拡散する。 When the material of the cathode conductive layer 113b has an A-site deficient composition, Mn, which is in excess of the stoichiometric composition of the perovskite structure, diffuses in large amounts into the cathode intermediate layer 113a.

空気極導電層113bの材料がAサイト過剰組成である場合、ペロブスカイト構造の化学量論比組成に対して過剰となるCaおよびSrが空気極中間層113aに多く拡散する。 When the material of the cathode conductive layer 113b has an A-site excess composition, Ca and Sr, which are in excess of the stoichiometric composition of the perovskite structure, diffuse in large amounts into the cathode intermediate layer 113a.

焼結温度の高温化、および、空気極導電層113bの材料の微粒化等により、空気極導電層113bの材料に含まれる元素の空気極中間層113aへの拡散を促進できる。焼結温度の高温化では、空気極導電層材料の収縮挙動を計測し、焼結収縮開始点から、温度を50℃ずつ変化させ、セルを試作し、断面の組織観察結果から第2組織の面積率の変化量を取得することで、第2組織の変化率を制御することが可能である。また、同じ焼結温度でも焼結時間を延ばすことでも同様の制御が可能である。粒径に関しては、粒子径の異なる材料で、セルを試作し、粒径変化後の断面の組織観察結果から第2組織の面積率の変化量を取得することで、第2組織の変化率を制御することが可能である。 By increasing the sintering temperature and atomizing the material of the cathode conductive layer 113b, the diffusion of elements contained in the material of the cathode conductive layer 113b into the cathode intermediate layer 113a can be promoted. When the sintering temperature is increased, the shrinkage behavior of the cathode conductive layer material is measured, the temperature is changed by 50°C from the starting point of sintering shrinkage, a prototype cell is fabricated, and the change in the area ratio of the second structure is obtained from the results of cross-sectional structure observation, making it possible to control the rate of change of the second structure. In addition, the same control is possible by extending the sintering time even at the same sintering temperature. Regarding the particle size, the rate of change of the second structure can be controlled by fabricating a prototype cell using materials with different particle sizes and obtaining the change in the area ratio of the second structure from the results of cross-sectional structure observation after the particle size change.

(SOFCモジュールの構造と各要素の機能の説明)
次に、図2と図3とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュールおよびSOFCカートリッジについて説明する。ここで、図2は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示すものである。また、図3は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
(Explanation of SOFC module structure and function of each element)
Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to the present embodiment will be described with reference to Fig. 2 and Fig. 3. Fig. 2 shows one aspect of the SOFC module according to the present embodiment. Fig. 3 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

SOFCモジュール(燃料電池モジュール)201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図2には円筒形のSOFCのセルスタック101を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207aおよび燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)および酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。 As shown in FIG. 2, the SOFC module (fuel cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (fuel cell cartridges) 203 and a pressure vessel 205 that houses the plurality of SOFC cartridges 203. Although FIG. 2 illustrates a cylindrical SOFC cell stack 101, this is not necessarily the case, and a flat cell stack may be used, for example. The SOFC module 201 also includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas exhaust pipe 209, and a plurality of fuel gas exhaust branch pipes 209a. The SOFC module 201 also includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), an oxidizing gas supply branch pipe (not shown), an oxidizing gas exhaust pipe (not shown), and a plurality of oxidizing gas exhaust branch pipes (not shown).

燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上記の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205 and is connected to a fuel gas supply unit that supplies fuel gas with a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201, and is also connected to multiple fuel gas supply branch pipes 207a. This fuel gas supply pipe 207 branches and guides the fuel gas at a predetermined flow rate supplied from the fuel gas supply unit to multiple fuel gas supply branch pipes 207a. In addition, the fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and is connected to multiple SOFC cartridges 203. This fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the multiple SOFC cartridges 203 at an approximately equal flow rate, and approximately uniforms the power generation performance of the multiple SOFC cartridges 203.

燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209a is connected to the multiple SOFC cartridges 203 and is also connected to the fuel gas discharge pipe 209. This fuel gas discharge branch pipe 209a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridges 203 to the fuel gas discharge pipe 209. In addition, the fuel gas discharge pipe 209 is connected to the multiple fuel gas discharge branch pipes 209a, and a portion of the fuel gas discharge pipe 209 is disposed outside the pressure vessel 205. This fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas discharged from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially uniform flow rate to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa~約3MPa、内部の温度が大気温度~約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 The pressure vessel 205 is operated with an internal pressure of 0.1 MPa to approximately 3 MPa and an internal temperature of ambient temperature to approximately 550°C, so a material that has strength and corrosion resistance to oxidizing agents such as oxygen contained in oxidizing gases is used. For example, stainless steel materials such as SUS304 are suitable.

ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。 In this embodiment, a configuration in which multiple SOFC cartridges 203 are grouped together and stored in the pressure vessel 205 is described, but this is not limited thereto, and for example, the SOFC cartridges 203 may be stored in the pressure vessel 205 without being grouped together.

(SOFCカートリッジの構造と各要素の機能の説明)
SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給ヘッダ217と、燃料ガス排出ヘッダ219と、酸化性ガス(空気)供給ヘッダ221と、酸化性ガス排出ヘッダ223とを備える。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給ヘッダ217と燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221と酸化性ガス排出ヘッダ223とが図3のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック101の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック101の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
(Explanation of the structure of the SOFC cartridge and the function of each element)
As shown in Fig. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply header 217, a fuel gas discharge header 219, an oxidizing gas (air) supply header 221, and an oxidizing gas discharge header 223. The SOFC cartridge 203 also includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In this embodiment, the SOFC cartridge 203 has a structure in which the fuel gas supply header 217, the fuel gas discharge header 219, the oxidizing gas supply header 221, and the oxidizing gas discharge header 223 are arranged as shown in Fig. 3, so that the fuel gas and the oxidizing gas flow in opposing directions between the inside and outside of the cell stack 101. However, this is not necessarily required, and for example, the inside and outside of the cell stack 101 may flow in parallel, or the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101.

発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部(温度センサや熱電対など)で監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is an area formed between the upper insulator 227a and the lower insulator 227b. This power generation chamber 215 is an area in which the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and generates electricity by electrochemically reacting fuel gas with oxidizing gas. The temperature near the center of the cell stack 101 in the longitudinal direction of the power generation chamber 215 is monitored by a temperature measurement unit (such as a temperature sensor or thermocouple), and during steady-state operation of the SOFC module 201, a high-temperature atmosphere of approximately 700°C to 1000°C is created.

燃料ガス供給ヘッダ217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a by the fuel gas supply hole 231a provided at the top of the upper casing 229a. The multiple cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a by a seal member 237a, and the fuel gas supply header 217 guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a into the inside of the base tube 103 of the multiple cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, thereby substantially equalizing the power generation performance of the multiple cell stacks 101.

燃料ガス排出ヘッダ219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、図示しない燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。 The fuel gas discharge header 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. In addition, the multiple cell stacks 101 are joined to the lower tube plate 225b by a seal member 237b, and the fuel gas discharge header 219 collects the exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 103 of the multiple cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge header 219, and directs it to the fuel gas discharge branch pipe 209a via the fuel gas discharge hole 231b.

SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。 The oxidizing gas of a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201 is branched to the oxidizing gas supply branch pipe and supplied to the multiple SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply header 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203, and is connected to an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) by an oxidizing gas supply hole 233a provided on the side of the lower casing 229b. This oxidizing gas supply header 221 guides a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply hole 233a to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a described later.

酸化性ガス排出ヘッダ223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。 The oxidizing gas discharge header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, upper tube plate 225a, and upper insulation 227a of the SOFC cartridge 203, and is connected to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) via an oxidizing gas discharge hole 233b provided on the side of the upper casing 229a. This oxidizing gas discharge header 223 guides the exhaust oxidizing gas supplied to the oxidizing gas discharge header 223 from the power generation chamber 215 through an oxidizing gas discharge gap 235b (described later) to the oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) via the oxidizing gas discharge hole 233b.

上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101がそれぞれ挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材237aおよび接着部材のいずれか一方または両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ217と酸化性ガス排出ヘッダ223とを隔離するものである。 The upper tube plate 225a is fixed to the side plate of the upper casing 229a between the top plate of the upper casing 229a and the upper insulator 227a so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper insulator 227a are approximately parallel. The upper tube plate 225a also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, into which the cell stacks 101 are inserted. The upper tube plate 225a airtightly supports one end of the multiple cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237a and the adhesive member, and isolates the fuel gas supply header 217 from the oxidizing gas discharge header 223.

上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを備える。 The upper insulation 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper insulation 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are approximately parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. The upper insulation 227a also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the holes is set to be larger than the outer diameter of the cell stacks 101. The upper insulation 227a has an oxidizing gas exhaust gap 235b formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted into the upper insulation 227a.

この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出ヘッダ223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ223に導くものである。 The upper insulation 227a separates the power generation chamber 215 from the oxidizing gas discharge header 223, and prevents the atmosphere around the upper tube sheet 225a from becoming hot, which would result in a decrease in strength and an increase in corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. The upper tube sheet 225a, etc. is made of a metal material that is resistant to high temperatures, such as Inconel, and prevents the upper tube sheet 225a, etc. from being thermally deformed by being exposed to the high temperatures in the power generation chamber 215 and the large temperature difference within the upper tube sheet 225a, etc. The upper insulation 227a also guides the exhaust oxidizing gas that has passed through the power generation chamber 215 and been exposed to high temperatures through the oxidizing gas discharge gap 235b to the oxidizing gas discharge header 223.

本実施形態によれば、上記したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。 According to this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. As a result, the exhaust oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and is cooled to a temperature at which the upper tube plate 225a, etc., made of a metal material, does not deform, such as buckling, and is supplied to the oxidizing gas discharge header 223. In addition, the fuel gas is heated by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101がそれぞれ挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材237bおよび接着部材のいずれか一方または両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。 The lower tube plate 225b is fixed to the side plate of the lower casing 229b between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower insulator 227b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower insulator 227b are approximately parallel to each other. The lower tube plate 225b also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, into which the cell stacks 101 are inserted. The lower tube plate 225b airtightly supports the other ends of the multiple cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237b and the adhesive member, and isolates the fuel gas discharge header 219 from the oxidizing gas supply header 221.

下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを備える。 The lower insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are approximately parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. The lower insulator 227b also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the holes is set to be larger than the outer diameter of the cell stacks 101. The lower insulator 227b has an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted into the lower insulator 227b.

この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給ヘッダ221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給ヘッダ221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。 The lower insulator 227b separates the power generation chamber 215 from the oxidizing gas supply header 221, and prevents the atmosphere around the lower tube sheet 225b from becoming hot, which would result in a decrease in strength and an increase in corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. The lower tube sheet 225b is made of a metal material that is resistant to high temperatures, such as Inconel, and prevents the lower tube sheet 225b from being exposed to high temperatures and being thermally deformed due to a large temperature difference within the lower tube sheet 225b. The lower insulator 227b also guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 through the oxidizing gas supply gap 235a to the power generation chamber 215.

本実施形態によれば、上記したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。 According to this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 103 and the power generation chamber 215 exchanges heat with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and is cooled to a temperature at which the lower tube plate 225b made of a metal material does not deform, such as by buckling, and is supplied to the fuel gas discharge header 219. In addition, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, it is possible to supply the oxidizing gas heated to a temperature required for power generation to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is conducted to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni/YSZ or the like provided on the multiple fuel cell cells 105, and then collected by the current collector rod (not shown) of the SOFC cartridge 203 via a current collector plate (not shown) and taken out to the outside of each SOFC cartridge 203. The DC power conducted out to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined number of series and parallel connections, conducted out to the outside of the SOFC module 201, and converted to a predetermined AC power by a power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown) and supplied to the power supply destination (for example, a load facility or a power system).

次に、上記実施形態に係る燃料電池セルの作用および効果について説明する。 Next, the operation and effects of the fuel cell according to the above embodiment will be described.

(試験体作製)
上記実施形態に従って作製したセルスタックから燃料電池セルの断面を切り出して試験体とした。
(Test specimen preparation)
A cross section of a fuel cell was cut out from the cell stack produced according to the above embodiment to prepare a test specimen.

セルスタックの各構成の材料は以下の通りである。
基体管:カルシウム安定化ジルコニア(Ca添加量15mol%)
燃料極:Ni:YSZ(Y添加量8mol%)=50:50(質量比)、膜厚120μm
固体電解質膜:YSZ(Y添加量8mol%)、膜厚80μm
インターコネクタ:Sr0.9La0.1TiO
空気極中間層:Sm0.2Ce0.8、膜厚15μm
空気極導電層:La0.5Sr0.25Ca0.25MnO、膜厚1000μm、A/B比=0.95
The materials of each component of the cell stack are as follows:
Base tube: calcium stabilized zirconia (Ca content 15 mol%)
Anode: Ni:YSZ (Y content 8 mol%) = 50:50 (mass ratio), film thickness 120 μm
Solid electrolyte membrane: YSZ (Y content 8 mol%), thickness 80 μm
Interconnector : Sr0.9La0.1TiO3
Air electrode intermediate layer: Sm0.2Ce0.8O2 , film thickness 15 μm
Air electrode conductive layer: La0.5Sr0.25Ca0.25MnO3 , film thickness 1000 μm, A / B ratio=0.95

基体管~インターコネクタの共焼結条件は1400℃,4時間、空気極中間層および空気極導電層の焼結条件は1200℃,2時間とした。 The sintering conditions for the base tube and interconnector were 1400°C for 4 hours, and the sintering conditions for the air electrode intermediate layer and air electrode conductive layer were 1200°C for 2 hours.

(空気極中間層の組成分析)
元素分析機器が搭載された走査電子顕微鏡(SEM)「SU6600形」(日立ハイテク社製)を用いて、空気極中間層の組成分析を行った。元素分析機器は、EDX(Energy Dispersive X-ray spectrometer)(エネルギー分散形X線元素分析器)である。
試験体をエネルギー分散型X線分析(EDX)に供した。図4,5に分析結果を示す。図4は、試験体表面の空気極中間層部分のSEM写真(視野サイズ(倍率):5000倍)である。図5は、空気極中間層の半定量分析結果である。カーボン蒸着をしているため、図5では、Cの半定量値は除外し、Ce,Sm,O,Mn,CaおよびSrの合計を100とした。
(Composition analysis of the air electrode intermediate layer)
The composition of the air electrode intermediate layer was analyzed using a scanning electron microscope (SEM) "SU6600" (manufactured by Hitachi High-Tech Corporation) equipped with an elemental analysis device. The elemental analysis device was an EDX (Energy Dispersive X-ray spectrometer).
The test specimen was subjected to energy dispersive X-ray analysis (EDX). The analysis results are shown in Figures 4 and 5. Figure 4 is an SEM photograph (field of view size (magnification): 5000 times) of the air electrode intermediate layer portion of the test specimen surface. Figure 5 shows the semi-quantitative analysis result of the air electrode intermediate layer. Since carbon vapor deposition was performed, the semi-quantitative value of C is excluded in Figure 5, and the sum of Ce, Sm, O, Mn, Ca and Sr is set to 100.

図4の空気極中間層では、黒色部(閾値0-60.frn)、灰色部(閾値61-195.frn)および白色部(閾値196-255.frn)が観察された。黒色部、灰色部および白色部の総面積を100%とした場合、黒色部、灰色部および白色部の面積率(各3点を分析した平均値)は、それぞれ17%、26%、55%であった。灰色部および白色部の総面積を100%とした(気孔なしの)場合、灰色部および白色部の面積率は、それぞれ32%、68%であった。黒色部は、気孔に相当する。 In the air electrode intermediate layer in Figure 4, black areas (threshold 0-60.frn), gray areas (threshold 61-195.frn), and white areas (threshold 196-255.frn) were observed. When the total area of the black, gray, and white areas is taken as 100%, the area ratios of the black, gray, and white areas (average values obtained by analyzing three points each) were 17%, 26%, and 55%, respectively. When the total area of the gray and white areas is taken as 100% (no pores), the area ratios of the gray and white areas were 32% and 68%, respectively. The black areas correspond to pores.

図5によれば、白色部ではCe,Sm,Oが検出され、Mn,Ca,Srは検出されなかった。白色部は、主に、空気極中間層の材料に由来する元素を含む組織(第1組織)であった。白色部にはCeが50原子%以上含まれていた。 According to Figure 5, Ce, Sm, and O were detected in the white area, but Mn, Ca, and Sr were not detected. The white area was a structure (first structure) that mainly contained elements derived from the material of the air electrode intermediate layer. The white area contained 50 atomic % or more of Ce.

灰色部では、空気極中間層の材料に由来する元素(Ce,Sm,O)に加え、Mn,Ca,Srが検出された。Ca,Mn,Srは空気極中間層の材料に含まれないため、共焼結した際に、空気極導電層の材料に含まれる元素が、空気極中間層に拡散したものと考えられる。灰色部は、空気極導電層の材料に由来する元素を含み、第1組織とは異なる組成の組織(第2組織)であった。灰色部に含まれるCeは、白色部よりも少なく、50原子%未満であった。図5によれば灰色部において、Mnは12-14原子%、Caは1-2.1原子%、Srは1-2.1原子%含まれていた。 In the grey area, Mn, Ca and Sr were detected in addition to elements (Ce, Sm and O) derived from the material of the air electrode intermediate layer. Because Ca, Mn and Sr are not contained in the material of the air electrode intermediate layer, it is believed that the elements contained in the material of the air electrode conductive layer diffused into the air electrode intermediate layer during co-sintering. The grey area contained elements derived from the material of the air electrode conductive layer, and was a structure (second structure) with a different composition from the first structure. The amount of Ce contained in the grey area was less than that in the white area, less than 50 atomic %. According to Figure 5, the grey area contained 12-14 atomic % Mn, 1-2.1 atomic % Ca and 1-2.1 atomic % Sr.

図には示さないが、試験体の面分析の結果、空気極導電層側から空気極中間層にMn,Ca,Srがそれぞれ拡散していることが認められた。 Although not shown in the figure, surface analysis of the test specimen revealed that Mn, Ca, and Sr had each diffused from the cathode conductive layer to the cathode intermediate layer.

(電子導電性)
図6に、Mn,Ca,Srが試験体の電子導電性に与える影響について示す(出典:Matsui et al.,J.Mater.Chem.A,2020,8,11867-11873)。同図において、上横軸は温度(℃)、下横軸は温度(1000T-1/K-1)、縦軸は電子導電率(log[σ/Scm-1])である。図7は、図6から読み取った数値をまとめた図表である。
(Electronic Conductivity)
Figure 6 shows the effects of Mn, Ca, and Sr on the electronic conductivity of the test specimen (Source: Matsui et al., J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 11867-11873). In the figure, the upper horizontal axis is temperature (°C), the lower horizontal axis is temperature (1000T -1 /K -1 ), and the vertical axis is electronic conductivity (log [σ / Scm -1 ]). Figure 7 is a chart summarizing the values read from Figure 6.

SmMnOの電子導電率は、600℃で0.3Scm-1であった。この値は、Mnを含まないSmCeOの電子導電率よりも高い。これにより、Mnが含まれることで試験体の電子導電率を上昇させられることが示唆された。 The electronic conductivity of SmMnO3 was 0.3 Scm -1 at 600 °C. This value is higher than that of SmCeO2 without Mn. This suggests that the inclusion of Mn can increase the electronic conductivity of the test specimen.

図6によれば、CaまたはSrが含まれることで、電子導電率は増加した。Caの含有量が増えるほど、電子導電率も高くなった。Caの含有量が低い場合、温度が高いほど電子導電率も高くなる傾向を示した。SrもCaと同様の傾向を示すと推察される。CaまたはSrの添加量がSmと同量である場合、電子導電率は温度によらず、略一定であった。 According to Figure 6, the inclusion of Ca or Sr increased the electronic conductivity. The higher the Ca content, the higher the electronic conductivity. When the Ca content was low, the higher the temperature, the higher the electronic conductivity tended to be. It is presumed that Sr shows a similar tendency to Ca. When the amount of Ca or Sr added was the same as that of Sm, the electronic conductivity was approximately constant regardless of temperature.

空気極中間層の材料であるSmドープされたセリアは、高いイオン導電性を有するが、空気極側の酸化雰囲気では電子導電性は低い。図4~7によれば、空気極導電層から空気極中間層にMn,Caおよび/またはSrが拡散されたことにより生じ得た第2組織(灰色部)が電子導電性を有すると考えられる。 The Sm-doped ceria, which is the material of the air electrode intermediate layer, has high ionic conductivity, but low electronic conductivity in the oxidizing atmosphere on the air electrode side. According to Figures 4 to 7, the second structure (gray area) that may have been formed by the diffusion of Mn, Ca and/or Sr from the air electrode conductive layer to the air electrode intermediate layer is thought to have electronic conductivity.

電子絶縁性の材料中に電子導電性の材料を含む複合材の電子パスについては、パーコレーション理論により考察できる。パーコレーション理論では、電子導電体が特定濃度(閾値)以上で凝集し、系全体を連なるクラスターが形成されることで電子導電性が発現すると考えられる。この閾値はパーコレーション閾値と呼ばれる。パーコレーションとは、対象とする物質が系内でどのように繋がっているか、その特徴が径の性質にどう反映しているかを対象とする理論である。ある物質が繋がってできた集団をクラスターと呼ぶ。 The electronic paths of composites that contain electronically conductive materials within electronically insulating materials can be considered using percolation theory. In percolation theory, it is believed that electronic conductors aggregate above a certain concentration (threshold) and form clusters that connect the entire system, resulting in electronic conductivity. This threshold is called the percolation threshold. Percolation is a theory that examines how the target substances are connected within a system and how these characteristics are reflected in the properties of the diameter. A group formed by connecting certain substances is called a cluster.

図8に、上記実施形態に係る空気極中間層における第2組織の割合と電子導電率との関係を示す。図8において、横軸は第2組織の割合(vol%)、横軸が電子導電率(S/cm)である。第2組織の割合は、第1組織と第2組織の合計体積を100%として算出した。 Figure 8 shows the relationship between the proportion of the second texture in the air electrode intermediate layer according to the embodiment and the electronic conductivity. In Figure 8, the horizontal axis represents the proportion of the second texture (vol%), and the horizontal axis represents the electronic conductivity (S/cm). The proportion of the second texture was calculated assuming that the total volume of the first texture and the second texture is 100%.

図8は、Bruggemanの式(1)から推算した。
σは空気極中間層の電子導電率、Vは第2組織の体積分率、σは第2組織の電子導電率、σは第1組織の電子導電率である。第1組織の電子導電率は、0.001Scm-1と仮定した。第2組織の電子導電率は、図6のグラフの各試験体データについて近似式を作成し、該近似式の傾きと、EXPの係数のCa含有量との相関で補間式を用いる。Srの電子導電率は、Caと同等とした。
FIG. 8 was estimated from Bruggeman's equation (1).
σ c is the electronic conductivity of the cathode intermediate layer, V f is the volume fraction of the second texture, σ f is the electronic conductivity of the second texture, and σ m is the electronic conductivity of the first texture. The electronic conductivity of the first texture was assumed to be 0.001 Scm -1 . For the electronic conductivity of the second texture, an approximation formula was created for each test piece data in the graph of Figure 6, and an interpolation formula was used based on the correlation between the slope of the approximation formula and the Ca content of the EXP coefficient. The electronic conductivity of Sr was assumed to be equivalent to Ca.

図8によれば、第2組織の体積割合が増えるにしたがって、電子導電率も上昇した。第2組織の体積割合が20%以上で、線形効果以上の電子導電性が発現した。グラフの傾きは、第2組織の体積割合が30%以上40%以下で最も大きかった。図8によれば、第2組織の体積割合33%程度がパーコレーション閾値となる。体積割合は、面積割合に置き換えて考えることができる。図8の結果は、図4~7の結果と整合する。 According to Figure 8, as the volume fraction of the second tissue increased, the electronic conductivity also increased. When the volume fraction of the second tissue was 20% or more, electronic conductivity greater than the linear effect was observed. The slope of the graph was greatest when the volume fraction of the second tissue was between 30% and 40%. According to Figure 8, a volume fraction of the second tissue of about 33% is the percolation threshold. The volume fraction can be thought of as the area fraction. The results in Figure 8 are consistent with the results in Figures 4 to 7.

空気極中間層において、電子導電性とイオン導電性は、トレードオフの関係にある。電子導電性第2組織が増えると、イオン導電性の第1組織の割合が減り、空気極中間層のイオン導電性は低下する。空気極中間層にイオン導電性は必要であるため、第2組織の割合は、60%以下であることが好ましい。 In the air electrode intermediate layer, there is a trade-off between electronic conductivity and ionic conductivity. As the electronically conductive second structure increases, the proportion of the ionically conductive first structure decreases, and the ionic conductivity of the air electrode intermediate layer decreases. Since ionic conductivity is necessary for the air electrode intermediate layer, it is preferable that the proportion of the second structure be 60% or less.

図9は、空気極中間層が第2組織を含む上記実施形態に係る燃料電池セルの空気極側の断面模式図である。 Figure 9 is a schematic cross-sectional view of the air electrode side of a fuel cell according to the above embodiment in which the air electrode intermediate layer includes the second structure.

上記実施形態に係る燃料電池セルの空気極中間層113aは、気孔Pと、第1組織Sと、第2組織Sとを含む。気孔Pは酸素ガス拡散経路となり得る。空気極中間層113aは酸化雰囲気でイオン導電性であるため、電解質として機能する。第2組織Sを含む空気極中間層113aは、イオン導電性に加え、電子導電性を有する。よって、第2組織Sを含む空気極中間層113aでは、内部に三相界面が形成される。空気極中間層113aに電子導電性を付与することで、三相界面(電極反応場)を三次元的に拡大できるため、従来よりも反応抵抗を低減させられる。 The air electrode intermediate layer 113a of the fuel cell according to the embodiment includes pores P, a first texture S1 , and a second texture S2 . The pores P can serve as oxygen gas diffusion paths. The air electrode intermediate layer 113a is ionically conductive in an oxidizing atmosphere, and therefore functions as an electrolyte. The air electrode intermediate layer 113a including the second texture S2 has electronic conductivity in addition to ion conductivity. Thus, a three-phase interface is formed inside the air electrode intermediate layer 113a including the second texture S2 . By imparting electronic conductivity to the air electrode intermediate layer 113a, the three-phase interface (electrode reaction field) can be expanded three-dimensionally, and the reaction resistance can be reduced more than ever before.

なお、上記実施形態は、燃料電池セル105と同じ構成で電力を印加して水素を製造する高温水蒸気電解(SOEC)セルに適用することも可能である。その場合、上記実施形態における燃料電池セル105は発電せずに水素を発生する水素発生部に置き換えればよい。 The above embodiment can also be applied to a high temperature steam electrolysis (SOEC) cell that produces hydrogen by applying electric power in the same configuration as the fuel cell 105. In that case, the fuel cell 105 in the above embodiment can be replaced with a hydrogen generating unit that generates hydrogen without generating electricity.

〈付記〉
以上説明した実施形態に記載の電気化学セルおよびその製造方法、電気化学モジュール、電気化学カートリッジは、例えば以下のように把握される。
<Additional Notes>
The electrochemical cell and the manufacturing method thereof, the electrochemical module, and the electrochemical cartridge described in the above-described embodiments can be understood, for example, as follows.

本開示に係る電気化学セル(105)は、水素極(109)、固体電解質膜(111)および酸素極(113)が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層(113a)および酸素極導電層(113b)を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体であり、かつ、気孔、第1組織および第2組織を有し、前記第1組織は、50原子%以上のCeを含み、かつ、Ca,SrおよびMnを含まず、前記第2組織は、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含み、前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上60%以下である。 The electrochemical cell (105) according to the present disclosure has a hydrogen electrode (109), a solid electrolyte membrane (111), and an oxygen electrode (113) laminated in this order, the oxygen electrode including, in order from the solid electrolyte membrane side, an oxygen electrode intermediate layer (113a) and an oxygen electrode conductive layer (113b), the oxygen electrode conductive layer being a sintered body of a material including a perovskite oxide represented by the general formula ABO3 , in which the A site is La and Sr and/or Ca, and the B site is Mn, the oxygen electrode intermediate layer being a sintered body of a material including Sm-doped ceria, and having pores, a first texture, and a second texture, the first texture including 50 atomic % or more of Ce and not including Ca, Sr, or Mn, the second texture including an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn, and the area ratio of the second texture in a cross section of the oxygen electrode intermediate layer being 20% or more and 60% or less of the total area of the first texture and the second texture.

上記ペロブスカイト酸化物を含む材料を焼結してなる酸素極導電層は、電子導電性を有する。Smドープされたセリアを含む材料を焼結してなる酸素極中間層は、イオン導電性を有する。酸素極を酸素極導電層と酸素極中間層との2層構成にすることで、固体電解質膜と酸素極との界面抵抗を低減できる。 The oxygen electrode conductive layer, which is formed by sintering a material containing the perovskite oxide, has electronic conductivity. The oxygen electrode intermediate layer, which is formed by sintering a material containing Sm-doped ceria, has ionic conductivity. By forming the oxygen electrode into a two-layer structure consisting of an oxygen electrode conductive layer and an oxygen electrode intermediate layer, the interface resistance between the solid electrolyte membrane and the oxygen electrode can be reduced.

Smドープされたセリア由来の元素を主成分とする第1組織は、イオン導電の機能を担う。Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含む第2組織は、電子導電の機能を担う。酸素極中間層の断面の総面積が一定である場合、第2組織が増えると第1組織の割合が低下して酸素極中間層のイオン導電性は低下し、第1組織が増えると第2組織の割合が低下して酸素極中間層の電子導電性は低下する。酸素極中間層の断面における第2組織の面積率を酸素極中間層の断面における第1組織および前記第2組織の総面積に対して20%以上60%以下好ましくは30%以上40%以下とすることで、酸素極中間層内においてイオンパスを確保しつつ、電子パスを形成できる。 The first structure, which is mainly composed of elements derived from Sm-doped ceria, has an ionic conductivity function. The second structure, which contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn, has an electronic conductivity function. When the total area of the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is constant, as the second structure increases, the proportion of the first structure decreases, and the ionic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases, and as the first structure increases, the proportion of the second structure decreases, and the electronic conductivity of the oxygen electrode intermediate layer decreases. By setting the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer to 20% to 60% and preferably 30% to 40% of the total area of the first structure and the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer, an electronic path can be formed while securing an ionic path in the oxygen electrode intermediate layer.

ガス経路となる気孔、イオン導電性の第1組織および電子導電性の第2組織が含まれるようにすることで、酸素極中間層内部に3次元的に電極反応場(三相界面)が拡大する。これにより、酸素極導電層と酸素極中間層との界面での反応抵抗が低減される。 By including pores that serve as gas paths, a first ionically conductive structure, and a second electronically conductive structure, the electrode reaction field (three-phase interface) expands three-dimensionally inside the oxygen electrode intermediate layer. This reduces the reaction resistance at the interface between the oxygen electrode conductive layer and the oxygen electrode intermediate layer.

上記開示の一態様において、前記酸素極中間層の断面における前記気孔の面積率は、前記気孔,前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上であってよい。 In one embodiment of the disclosure above, the area ratio of the pores in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer may be 20% or more of the total area of the pores, the first structure, and the second structure.

気孔の面積率を上記範囲にすることで、酸素極中間層内により確実に三相界面を形成できる。 By keeping the pore area ratio within the above range, a three-phase interface can be more reliably formed within the oxygen electrode intermediate layer.

上記開示に係る電気化学セルを備えた電気化学モジュール、該電気化学モジュールを備えた電気化学カートリッジは、従来よりも発電効率が改善されたものとなる。 An electrochemical module equipped with the electrochemical cell disclosed above, and an electrochemical cartridge equipped with the electrochemical module, have improved power generation efficiency compared to conventional methods.

本開示に係る電気化学セルの製造方法は、水素極(109)、固体電解質膜(111)および酸素極(113)が順次積層され、前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層(113a)および酸素極導電層(113b)を含み、前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体である電気化学セルの製造方法であって、前記酸素極中間層の断面において、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織が、気孔を除いた前記酸素極中間層の断面の総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を取得し、取得した前記条件に従って、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層を共焼結して前記酸素極中間層を形成する。 The method for manufacturing an electrochemical cell according to the present disclosure includes a hydrogen electrode (109), a solid electrolyte membrane (111), and an oxygen electrode (113) laminated in this order, the oxygen electrode including, from the solid electrolyte membrane side, an oxygen electrode intermediate layer (113a) and an oxygen electrode conductive layer (113b), the oxygen electrode conductive layer being a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by the general formula ABO3 , the A site being La and Sr and/or Ca, and the B site being Mn, and the oxygen electrode intermediate layer being a sintered body of a material containing Sm-doped ceria, and the method includes obtaining conditions under which a structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is formed in 20% to 60% of a total area of a cross section of the oxygen electrode intermediate layer excluding pores, and co-sintering the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer in accordance with the obtained conditions to form the oxygen electrode intermediate layer.

上記開示の一態様において、前記条件は、前記酸素極導電層の材料組成、前記酸素極中間層の材料組成、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層の焼結温度、焼結手順のいずれかであり得る。 In one embodiment of the above disclosure, the conditions may be any one of the material composition of the oxygen electrode conductive layer, the material composition of the oxygen electrode intermediate layer, the sintering temperature of the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer, and the sintering procedure.

101 セルスタック(燃料電池)
103 基体管(基体)
105 燃料電池セル(発電素子)(電気化学セル)
107 インターコネクタ
109 燃料極(水素極)
111 固体電解質膜
113 空気極(酸素極)
113a 空気極中間層(酸素極中間層)
113b 空気極導電層(酸素極導電層)
115 リード膜
201 SOFC(燃料電池)モジュール(電気化学モジュール)
203 SOFC(燃料電池)カートリッジ(電気化学カートリッジ)
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
207a 燃料ガス供給枝管
209 燃料ガス排出管
209a 燃料ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給ヘッダ
219 燃料ガス排出ヘッダ
221 酸化性ガス供給ヘッダ
223 酸化性ガス排出ヘッダ
225a 上部管板
225b 下部管板
227a 上部断熱体
227b 下部断熱体
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 燃料ガス供給孔
231b 燃料ガス排出孔
233a 酸化性ガス供給孔
233b 酸化性ガス排出孔
235a 酸化性ガス供給隙間
235b 酸化性ガス排出隙間
237a、237b シール部材
101 Cell stack (fuel cell)
103 Base tube (base)
105 Fuel cell (power generation element) (electrochemical cell)
107 interconnector 109 fuel electrode (hydrogen electrode)
111 Solid electrolyte membrane 113 Air electrode (oxygen electrode)
113a: Air electrode intermediate layer (oxygen electrode intermediate layer)
113b Air electrode conductive layer (oxygen electrode conductive layer)
115 Lead film 201 SOFC (fuel cell) module (electrochemical module)
203 SOFC (Fuel Cell) Cartridge (Electrochemical Cartridge)
205 Pressure vessel 207 Fuel gas supply pipe 207a Fuel gas supply branch pipe 209 Fuel gas exhaust pipe 209a Fuel gas exhaust branch pipe 215 Power generation chamber 217 Fuel gas supply header 219 Fuel gas exhaust header 221 Oxidizing gas supply header 223 Oxidizing gas exhaust header 225a Upper tube plate 225b Lower tube plate 227a Upper heat insulator 227b Lower heat insulator 229a Upper casing 229b Lower casing 231a Fuel gas supply hole 231b Fuel gas exhaust hole 233a Oxidizing gas supply hole 233b Oxidizing gas exhaust hole 235a Oxidizing gas supply gap 235b Oxidizing gas exhaust gap 237a, 237b Seal member

Claims (7)

水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、
前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、
前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、
前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体であり、かつ、気孔、第1組織および第2組織を有し、
前記第1組織は、50原子%以上のCeを含み、かつ、Ca,SrおよびMnを含まず、
前記第2組織は、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素を含み、
前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し20%以上60%以下である電気化学セル。
A hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are laminated in this order.
the oxygen electrode includes an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer in this order from the solid electrolyte membrane side,
the oxygen electrode conductive layer is a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by the general formula ABO3 , in which the A site is La, Sr and/or Ca, and the B site is Mn;
the oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing Sm-doped ceria, and has pores, a first structure and a second structure;
The first structure contains 50 atomic % or more of Ce and does not contain Ca, Sr, or Mn,
the second structure contains an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn;
An electrochemical cell comprising: a cross-section of the oxygen electrode intermediate layer in which an area ratio of the second texture is 20% or more and 60% or less of a total area of the first texture and the second texture.
前記酸素極中間層の断面における前記第2組織の面積率は、前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し30%以上40%以下である請求項1に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 1, wherein the area ratio of the second structure in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is 30% to 40% of the total area of the first structure and the second structure. 前記酸素極中間層の断面における前記気孔の面積率は、前記気孔,前記第1組織および前記第2組織の総面積に対し5%以上である請求項2に記載の電気化学セル。 The electrochemical cell according to claim 2, wherein the area ratio of the pores in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer is 5% or more of the total area of the pores, the first structure, and the second structure. 請求項1~3のいずれかに記載の電気化学セルを備えた電気化学モジュール。 An electrochemical module comprising an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 3. 請求項4に記載の電気化学モジュールを備えた電気化学カートリッジ。 An electrochemical cartridge comprising the electrochemical module according to claim 4. 水素極、固体電解質膜および酸素極が順次積層され、
前記酸素極は、前記固体電解質膜側から順に酸素極中間層および酸素極導電層を含み、
前記酸素極導電層は、一般式ABOで表され、AサイトがLaと、Srおよび/またはCaであり、BサイトがMnであるペロブスカイト酸化物を含む材料の焼結体であり、
前記酸素極中間層は、Smドープされたセリアを含む材料の焼結体である電気化学セルの製造方法であって、
前記酸素極中間層の断面において、Ca,SrおよびMnからなる群から選択される元素が含まれる組織が、気孔を除いた前記断面の総面積に対して20%以上60%以下形成される条件を取得し、
取得した前記条件に従って、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層を共焼結して前記酸素極中間層を形成する電気化学セルの製造方法。
A hydrogen electrode, a solid electrolyte membrane, and an oxygen electrode are laminated in this order.
the oxygen electrode includes an oxygen electrode intermediate layer and an oxygen electrode conductive layer in this order from the solid electrolyte membrane side,
the oxygen electrode conductive layer is a sintered body of a material containing a perovskite oxide represented by a general formula ABO3 , in which the A site is La, Sr and/or Ca, and the B site is Mn;
The oxygen electrode intermediate layer is a sintered body of a material containing Sm-doped ceria,
obtaining a condition in which a structure containing an element selected from the group consisting of Ca, Sr, and Mn is formed in an amount of 20% to 60% of a total area of the cross section excluding pores in the cross section of the oxygen electrode intermediate layer;
the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer are co-sintered according to the obtained conditions to form the oxygen electrode intermediate layer.
前記条件は、前記酸素極導電層の材料組成、前記酸素極中間層の材料組成、前記酸素極中間層および前記酸素極導電層の焼結温度、焼結手順のいずれかである請求項6に記載の電気化学セルの製造方法。 The method for manufacturing an electrochemical cell according to claim 6, wherein the conditions are any one of the material composition of the oxygen electrode conductive layer, the material composition of the oxygen electrode intermediate layer, the sintering temperature of the oxygen electrode intermediate layer and the oxygen electrode conductive layer, and the sintering procedure.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009263741A (en) 2008-04-28 2009-11-12 Univ Of Yamanashi High-temperature steam electrolytic cell
JP2013140737A (en) 2012-01-05 2013-07-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Method for manufacturing solid electrolyte fuel cell, and solid electrolyte fuel cell

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009263741A (en) 2008-04-28 2009-11-12 Univ Of Yamanashi High-temperature steam electrolytic cell
JP2013140737A (en) 2012-01-05 2013-07-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Method for manufacturing solid electrolyte fuel cell, and solid electrolyte fuel cell

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