JP6878257B2 - Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- JP6878257B2 JP6878257B2 JP2017224759A JP2017224759A JP6878257B2 JP 6878257 B2 JP6878257 B2 JP 6878257B2 JP 2017224759 A JP2017224759 A JP 2017224759A JP 2017224759 A JP2017224759 A JP 2017224759A JP 6878257 B2 JP6878257 B2 JP 6878257B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- current collector
- air electrode
- electrochemical reaction
- single cell
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 title claims description 33
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 107
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 24
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 11
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 76
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 69
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 48
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 39
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 25
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 25
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 13
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 8
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 7
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002084 calcia-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 2
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QRXDDLFGCDQOTA-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+) iron(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Fe+2].[Co+2].[O-2] QRXDDLFGCDQOTA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- UGKDIUIOSMUOAW-UHFFFAOYSA-N iron nickel Chemical compound [Fe].[Ni] UGKDIUIOSMUOAW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
本明細書によって開示される技術は、集電部材−電気化学反応単セル複合体に関する。 The techniques disclosed herein relate to current collector-electrochemical reaction single cell complexes.
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、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)が知られている。SOFCを構成する集電部材−燃料電池単セル複合体(以下、単に「複合体」という)は、例えば、電解質層と電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、単セルで発生した電力を集めるために単セルの空気極側に配置される導電性の集電部材とを備える。一般に、単セルの空気極側に配置される集電部材は、空気極に向けて突出する突出部を有する。空気極と集電部材の突出部とが導電性の接合部によって接合されることにより、空気極と集電部材とが電気的に接続される。 As one of the types of fuel cells that generate electricity by utilizing the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, a solid oxide fuel cell (hereinafter, also referred to as "SOFC") having an electrolyte layer containing a solid oxide is used. Are known. The current collector-fuel cell single cell composite (hereinafter, simply referred to as “composite”) constituting the SOFC includes, for example, an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer in between. A single cell including the above, and a conductive current collecting member arranged on the air electrode side of the single cell for collecting the electric power generated by the single cell. Generally, the current collecting member arranged on the air electrode side of the single cell has a protruding portion protruding toward the air electrode. By joining the air electrode and the protruding portion of the current collecting member by a conductive joint portion, the air electrode and the current collecting member are electrically connected.
従来、突出部と接合部と空気極とを含む第1の方向に平行な断面において、接合部において第1の方向に直交する第2の方向の両側に位置する2つの端部分の外形線が、空気極に近づくにつれて互いに離間するように直線状に延びている傾斜直線である構成が知られている(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, in a cross section parallel to the first direction including a protrusion, a joint, and an air electrode, the outlines of two end portions located on both sides of the second direction orthogonal to the first direction at the joint are formed. , A configuration is known which is an inclined straight line extending linearly so as to be separated from each other as it approaches the air electrode (see, for example, Patent Document 1).
上述した接合部の端部分の外形線が傾斜直線である構成では、複合体の性能が低下するおそれがある。この原因として、次のことが考えられる。すなわち、複合体の性能を向上させるには、接合部のうち、突出部と空気極との間に位置する中央部分に、空気室からの酸化剤ガスが十分に拡散されることが好ましい。しかし、上述した接合部の端部分の外形線が傾斜直線である構成では、外形線が傾斜直線である端部分の存在によって、接合部のうち、空気極に面する空気室に露出する露出面と接合部の中央部分との離間距離が遠い。このため、接合部の中央部分に、空気室からの酸化剤ガスが十分に拡散されないことに起因して複合体の性能が低下すると考えられる。 In the configuration in which the outer line of the end portion of the joint portion is an inclined straight line as described above, the performance of the complex may be deteriorated. The possible causes for this are as follows. That is, in order to improve the performance of the complex, it is preferable that the oxidizing agent gas from the air chamber is sufficiently diffused in the central portion of the joint portion located between the protruding portion and the air electrode. However, in the configuration in which the outer line of the end portion of the joint portion is an inclined straight line as described above, the exposed surface of the joint portion exposed to the air chamber facing the air electrode due to the presence of the end portion whose outer line is an inclined straight line. The distance between the joint and the central part of the joint is long. Therefore, it is considered that the performance of the complex deteriorates due to insufficient diffusion of the oxidant gas from the air chamber into the central portion of the joint.
なお、このような問題は、単セルの燃料極側に配置される集電部材が有する突出部と燃料極とが導電性の接合部によって接合される構成にも共通の課題である。また、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」ともいう)を構成する集電部材−電解セル複合体にも共通の課題である。なお、本明細書では、集電部材−燃料電池単セル複合体と集電部材−電解セル複合体とをまとめて集電部材−電気化学反応単セル複合体と呼ぶ。 It should be noted that such a problem is also a common problem in the configuration in which the protruding portion of the current collector member arranged on the fuel electrode side of the single cell and the fuel electrode are joined by a conductive joint portion. Further, such a problem is caused by a current collecting member-electrolytic cell complex constituting a solid oxide fuel cell (hereinafter, also referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. Is also a common issue. In this specification, the current collector-fuel cell single cell complex and the current collector-electrolytic cell complex are collectively referred to as a current collector-electrochemical reaction single cell complex.
本明細書では、上述した課題の少なくとも1つを解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving at least one of the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The techniques disclosed herein can be realized, for example, in the following forms.
(1)本明細書に開示される集電部材−電気化学反応単セル複合体は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルと、前記単セルの前記空気極および前記燃料極の一方の電極側に配置され、前記一方の電極に向けて突出するとともに前記一方の電極から離間している突出部を有する集電部材と、前記突出部と前記一方の電極とを接合し、導電性を有するとともに気孔が存在する接合部と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記突出部と前記接合部と前記一方の電極とを含む前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記接合部は、前記突出部と前記一方の電極との間に位置する中央部分と、前記中央部分に対して前記第1の方向に直交する第2の方向の少なくとも一方側に位置する端部分と、を含んでおり、前記端部分の外形線は、前記一方の電極に近づくにつれて前記中央部分から離間するように前記中央部分側に湾曲した湾曲線を含んでおり、前記突出部と前記接合部の前記端部分との境界において前記一方の電極に最も近い部位を通り、かつ、前記第2の方向に平行な第1の仮想直線と交差する前記端部分の前記外形線上の位置を、第1の位置とし、前記端部分において前記第1の方向の厚さが最も薄い部分のうち、前記中央部分に最も近い部位における前記外形線上の位置を、第2の位置とし、前記第1の位置を通り、かつ、前記第1の方向に平行な第2の仮想直線と、前記第2の位置を通り、かつ、前記第2の方向に平行な第3の仮想直線とが交差する位置を、第3の位置とした場合、前記第1の位置と前記第2の位置と前記第3の位置とを頂点とする仮想三角形の面積に対し、前記第1の位置と前記第2の位置とを結ぶ第4の仮想直線と前記湾曲線とに囲まれる特定領域の面積の割合は20%以上である。本集電部材−電気化学反応単セル複合体では、接合部の端部分の外形線は、一方の電極に近づくにつれて接合部の中央部分から離間するように中央部分側に湾曲した湾曲線を含んでいる。また、その湾曲線を含む仮想三角形の面積に対し、該湾曲線によって形成される特定領域の面積の割合は20%以上である。このため、例えば、接合部の端部分の外形線が直線状である場合に比べて、接合部のうち、電極に面するガス室に露出する露出面の面積が広くなるとともに、該露出面と接合部の中央部分との離間距離が短くなる。これにより、本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、接合部において中央部分に、ガス室からのガスが十分に拡散されないことに起因して集電部材−電気化学反応単セル複合体の性能が低下することを抑制することができる。 (1) The current collector-electrochemical reaction single cell composite disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode and a fuel that face each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. A single cell including a pole, and a protruding portion arranged on one electrode side of the air electrode and the fuel electrode of the single cell, projecting toward the one electrode and separated from the one electrode. In a current collecting member-electrochemical reaction single cell composite comprising a current collecting member having a current collecting member and a joint portion in which the protruding portion and one of the electrodes are joined to have conductivity and pores are present, the protruding portion is provided. In at least one cross section parallel to the first direction, including the portion, the junction, and the one electrode, the junction comprises a central portion located between the protrusion and the one electrode. An end portion located on at least one side of the second direction orthogonal to the first direction with respect to the central portion is included, and the outline of the end portion becomes closer to the one electrode. It includes a curved line curved toward the central portion so as to be separated from the central portion, passes through a portion closest to the one electrode at the boundary between the protruding portion and the end portion of the joint portion, and is said to be described. The position on the outer line of the end portion intersecting with the first virtual straight line parallel to the second direction is set as the first position, and among the portions of the end portion having the thinnest thickness in the first direction. The position on the outer line at the portion closest to the central portion is set as the second position, the second virtual straight line passing through the first position and parallel to the first direction, and the second When the position where the third virtual straight line passing through the position and intersecting the third virtual straight line parallel to the second direction intersects with the third position, the first position, the second position, and the third position are defined as the third position. The ratio of the area of the specific region surrounded by the fourth virtual straight line connecting the first position and the second position and the curved line is 20% with respect to the area of the virtual triangle whose apex is the position of. That is all. In this current collector-electrochemical reaction single cell complex, the outline of the end portion of the joint includes a curved line curved toward the center portion so as to move away from the central portion of the joint as it approaches one of the electrodes. I'm out. Further, the ratio of the area of the specific region formed by the curved line to the area of the virtual triangle including the curved line is 20% or more. Therefore, for example, as compared with the case where the outer line of the end portion of the joint portion is linear, the area of the exposed surface of the joint portion exposed to the gas chamber facing the electrode becomes larger and the exposed surface and the exposed surface are exposed. The separation distance from the central part of the joint is shortened. As a result, according to the current collector-electrochemical reaction single cell composite, the current collector-electrochemical reaction single cell is caused by the fact that the gas from the gas chamber is not sufficiently diffused to the central portion at the joint. It is possible to suppress the deterioration of the performance of the complex.
(2)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記少なくとも1つの断面において、前記第1の位置と前記第3の位置との間の第1の距離は、前記第2の位置と前記第3の位置との間の第2の距離より長い構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体では、第1の位置と第3の位置との間の第1の距離は、第2の位置と第3の位置との間の第2の距離より長い。これにより、第1の距離が第2の距離より短い構成に比べて、接合部の端部分の露出面全体が接合部の中央部分に近くなることによって、ガス室からのガスが中央部分に拡散され易くなるため、ガスの拡散不足に起因する集電部材−電気化学反応単セル複合体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 current collector-electrochemical reaction single cell complex, the first distance between the first position and the third position in the at least one cross section is the second position. It may be configured to be longer than the second distance between the third position and the third position. In this current collector-electrochemical reaction single cell complex, the first distance between the first position and the third position is the second distance between the second position and the third position. Longer. As a result, the gas from the gas chamber is diffused to the central portion by making the entire exposed surface of the end portion of the joint portion closer to the central portion of the joint portion as compared with the configuration in which the first distance is shorter than the second distance. It is possible to more effectively suppress the deterioration of the performance of the current collector-electrochemical reaction single cell composite due to insufficient diffusion of gas.
(3)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記少なくとも1つの断面において、前記一方の電極は、前記空気極である構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体では、空気極側に配置された集電部材が有する突出部と空気極とを接合する接合部について本発明が適用されている。これにより、接合部において特に電流密度が高く電子が多く存在する接合部の中央部分に、ガス室からのガスが十分に拡散されないことに起因して集電部材−電気化学反応単セル複合体の性能が低下することを効果的に抑制することができる。 (3) In the current collector-electrochemical reaction single cell complex, in at least one cross section, the one electrode may be configured to be the air electrode. In the present current collector-electrochemical reaction single cell composite, the present invention is applied to a joint portion for joining a protruding portion and an air electrode of a current collector member arranged on the air electrode side. As a result, the gas from the gas chamber is not sufficiently diffused to the central portion of the junction where the current density is particularly high and many electrons are present in the junction, so that the current collector-electrochemical reaction single cell composite is formed. It is possible to effectively suppress the deterioration of performance.
(4)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記集電部材は、前記突出部を複数有しており、前記少なくとも1つの断面において、互いに隣り合う2つの前記突出部のそれぞれと前記一方の電極とを接合する前記接合部同士の前記端部分は互いに繋がっている構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体では、互いに隣り合う2つの突出部のそれぞれと電極とを接合する接合部同士の端部分は互いに繋がっている。これにより、互いに隣り合う接合部同士の端部分が互いに離間している構成に比べて、接合部と電極との間の剥離を抑制することができる。 (4) In the current collector-electrochemical reaction single cell composite, the current collector has a plurality of the protrusions, and each of the two protrusions adjacent to each other in the at least one cross section. The end portions of the joint portions that join the one electrode and the one electrode may be connected to each other. In this current collector-electrochemical reaction single cell complex, the end portions of the joints that join each of the two adjacent protrusions and the electrodes are connected to each other. As a result, peeling between the joint portion and the electrode can be suppressed as compared with the configuration in which the end portions of the joint portions adjacent to each other are separated from each other.
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、集電部材−燃料電池単セル複合体、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、集電部材−電解セル複合体、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, and includes, for example, a current collector-fuel cell single cell complex, a fuel cell power generation unit, and a plurality of fuel cell power generation units. Fuel cell stack, power generation module with fuel cell stack, fuel cell system with power generation module, current collector-electrolytic cell complex, electrolytic cell unit, electrolytic cell stack with multiple electrolytic cell units, hydrogen with electrolytic cell stack It can be realized in the form of a generation module, a hydrogen generation system including a hydrogen generation module, or the like.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す外観斜視図である。図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸を示している。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がそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図2以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is an external perspective view schematically showing the configuration of the
燃料電池スタック100は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置された複数(本実施形態では7つ)発電単位102と、7つの発電単位102を上下から挟むように配置された一対のエンドプレート104,106とを備える。図1に示す燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100のZ方向回りの周縁部には、上側のエンドプレート104から下側のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる複数の(本実施形態では8つの)貫通孔108が形成されている。各貫通孔108に挿入されたボルト22とボルト22にはめられたナット24とによって、燃料電池スタック100を構成する各層は締め付けられて固定されている。
A plurality of (eight in this embodiment) through
各ボルト22の軸部の外径は各貫通孔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貫通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と貫通孔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)と貫通孔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(図2参照)。また、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における他の辺(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)と貫通孔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)と貫通孔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(図3参照)。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、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。
The outer diameter of the shaft portion of each
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Structure of
The pair of
(発電単位102の構成)
図2から図5は、発電単位102の構成を概略的に示す説明図である。図2には、図1、図4および図5のII−IIの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図3には、図1、図4および図5のIII−IIIの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図4には、図2のIV−IVの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図5には、図2のV−Vの位置における発電単位102の断面構成を示している。
(Structure of power generation unit 102)
2 to 5 are explanatory views schematically showing the configuration of the
図2および図3に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される貫通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともZrを含んでおり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、CaSZ(カルシア安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、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。燃料極116は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
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。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
The
図2から図4に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the air
図2、図3および図5に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the fuel
図2、図3および図5に示すように、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、複数の電極対向部145と、各電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、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。具体的には、燃料極側集電体144は、方形の平板形部材に切り込みを入れ、複数の方形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた方形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図5における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、複数の方形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。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。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the fuel electrode side
図2から図4に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えばフェライト系ステンレス等のCr(クロム)を含む金属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形成されていてもよい。本実施形態では、空気極114は、特許請求の範囲における一方の電極に相当し、空気極側集電体134は、特許請求の範囲における集電部材に相当し、集電体要素135は、特許請求の範囲における突出部に相当する。
As shown in FIGS. 2 to 4, the air electrode side
図2および図3に示すように、空気極側集電体134の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、Zn(亜鉛)とMn(マンガン)とCo(コバルト)とCu(銅)との少なくとも1つを含むスピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5O4やMnCo2O4、ZnCo2O4、ZnMnCoO4、CuMn2O4)により形成されている。空気極側集電体134の表面へのコート136の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。そのため、実際には、空気極側集電体134の表面の内、インターコネクタ150との境界面はコート136により覆われていない一方、インターコネクタ150の表面の内、少なくとも酸化剤ガスの流路に面する表面(すなわち、インターコネクタ150における空気極114側の表面や酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162を構成する貫通孔108に面した表面等)はコート136により覆われている。また、空気極側集電体134に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート136は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体134を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(または集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(または集電体要素135)」を意味する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the surface of the air electrode side
空気極114と空気極側集電体134とは、導電性の接合層138により接合されている。接合層138は、コート136と同様に、ZnとMnとCoとCuとの少なくとも1つを含むスピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5O4やMnCo2O4、ZnCo2O4、ZnMnCoO4、CuMn2O4)により形成されている。なお、本実施形態では、コート136と接合層138とは、主成分元素が互いに同一であるスピネル型酸化物により形成されている。ここでいう主成分元素とは、スピネル型酸化物を構成する金属元素のことをいう。また、スピネル型酸化物の同定は、X線回折と元素分析を行うことで実現できる。接合層138は、例えば、接合層用のペーストが空気極114の表面の内、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の先端部と対向する部分に印刷され、各集電体要素135の先端部がペーストに押し付けられた状態で所定の条件で焼成されることにより形成される。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると述べたが、正確には、(コート136に覆われた)空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。接合層138は、特許請求の範囲における接合部に相当する。また、単セル110と空気極側集電体134と接合層138とを備える複合体(以下、「複合体200」という)は、特許請求の範囲における集電部材−電気化学反応単セル複合体である。集電体要素135(空気極側集電体134)および接合層138の詳細構成は後述する。
The
A−2.燃料電池スタック100における発電動作:
図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161に酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、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を経て、空気室166に供給される。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171に燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、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を経て、燃料室176に供給される。
A-2. Power generation operation in the fuel cell stack 100:
As shown in FIG. 2, when the oxidant gas OG is supplied to the oxidant
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。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(およびコート136、接合層138)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、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(例えば摂氏700度から1000度)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が加熱器により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
酸化剤オフガスOOG(各発電単位102において発電反応に利用されなかった酸化剤ガス)は、図2に示すように、空気室166から酸化剤ガス排出連通孔133、酸化剤ガス排出マニホールド162を経て、燃料電池スタック100の外部に排出される。また、燃料オフガスFOG(各発電単位102において発電反応に利用されなかった燃料ガス)は、図3に示すように、燃料室176から燃料ガス排出連通孔143、燃料ガス排出マニホールド172を経て、燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIG. 2, the oxidant off-gas OOG (oxidant gas not used in the power generation reaction in each power generation unit 102) passes from the
A−3.集電体要素135および接合層138の詳細構成:
図6は、図3におけるX1部分(集電体要素135、接合層138および空気極114)の構成を拡大して示す説明図である。図3および図6に示すように、集電体要素135は、インターコネクタ150から空気極114に向けて突出するとともに、空気極114から離間している。本実施形態では、集電体要素135と接合層138と空気極114を含む上下方向に平行な断面(YZ断面 以下、「集電体要素135等のYZ断面」という)において、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の上下方向(Z軸方向)に略直交する横方向(Y軸方向)の幅は、集電体要素135の上下方向の全長にわたって略同一とされている。また、接合層138には、気孔が存在する。具体的には、接合層138は、多孔質体である。このため、空気室166からの酸化剤ガスOGが接合層138内に拡散する。
A-3. Detailed configuration of
FIG. 6 is an enlarged explanatory view showing the configuration of the X1 portion (
また、集電体要素135等のYZ断面において、接合層138は、下記の第1の要件(第1の要件Aから第1の要件C)を満たす。
第1の要件A:「接合層138は、中央部分138Aと、中央部分138Aに対して横方向(Y方向)の少なくとも一方側に位置する端部分138Bと、を含んでいる。」
中央部分138Aは、接合層138のうち、上下方向(Z方向)において集電体要素135と空気極114との間に位置する部分である。端部分138Bは、接合層138のうち、横方向において中央部分138Aの側方に位置する部分である。端部分138Bは、集電体要素135の外形線のうち、横方向の端側に位置し、かつ、上下方向に略平行な側辺の少なくとも一部を覆っている。図6では、接合層138における中央部分138Aの横方向の両側のそれぞれに端部分138Bが位置している。
Further, in the YZ cross section of the
First Requirement A: "The
The
第1の要件B:「端部分138Bの空気室166に面する外形線は、空気極114に近づくにつれて接合層138の中央部分138Aから離間するように傾斜しており、かつ、中央部分138A側に湾曲した湾曲線を含んでいる。」
図6では、1つの集電体要素135を接合する接合層138において横方向(Y方向)の両側に位置する2つの端部分138Bの外形線は、空気極114に近づくにつれて互いに離間するように傾斜しており、かつ、中央部分138A側に湾曲している傾斜湾曲線138Cを含んでいる。
First Requirement B: "The outline of the
In FIG. 6, the outlines of the two
第1の要件C:「第1の位置P1と第2の位置P2と第3の位置P3とを頂点とする仮想三角形の面積に対し、第1の位置P1と第2の位置P2とを結ぶ第4の仮想直線L4と傾斜湾曲線138Cとに囲まれる特定領域Rの面積の割合は20%以上である。」
第1の位置P1は、第1の仮想直線L1と端部分138Bの外形線とが交差する位置である。第1の仮想直線L1は、集電体要素135と接合層138の端部分138Bとの境界において空気極114に最も近い部位を通り、かつ、横方向(Y方向)に平行な仮想直線である。
第2の位置P2は、端部分138Bの上下方向(Z方向)の厚さが最も薄い部分のうち、中央部分138Aに最も近い部位における端部分138Bの外形線上の位置である。
第3の位置P3は、第2の仮想直線L2と第3の仮想直線L3とが交差する位置である。第2の仮想直線L2は、上記第1の位置P1を通り、かつ、上下方向に平行な仮想直線である。第3の仮想直線L3は、第2の位置P2を通り、かつ、横方向に平行な仮想直線である。なお、集電体要素135の上下方向に平行な断面(YZ断面)を、走査型電子顕微鏡(SEM)にて、撮影したときのSEM画像にて各位置や仮想直線等を特定することができる。このとき、第1の位置P1と第3の位置P3との間の縦線分や第2の位置P2と第3の位置P3との間の横線分が、SEM画像の該線分に平行な方向の幅の1/2以上(より好ましくは3/4以上)となる倍率で撮影することが好ましい。また、傾斜湾曲線138Cの特定について、例えばデジタルマイクロスコープ(キーエンス社製VHX−5000)を用いて、SEM画像における上記縦線分または横線分に直交する方向に所定間隔で並べられた複数の直線と端部分138Bの外形線との交点を結んだものとすることが好ましい。
First requirement C: "Connecting the first position P1 and the second position P2 to the area of the virtual triangle whose vertices are the first position P1, the second position P2, and the third position P3. The ratio of the area of the specific region R surrounded by the fourth virtual straight line L4 and the inclined
The first position P1 is a position where the first virtual straight line L1 and the outline of the
The second position P2 is a position on the outer line of the
The third position P3 is a position where the second virtual straight line L2 and the third virtual straight line L3 intersect. The second virtual straight line L2 is a virtual straight line that passes through the first position P1 and is parallel in the vertical direction. The third virtual straight line L3 is a virtual straight line that passes through the second position P2 and is parallel to the lateral direction. It should be noted that each position, virtual straight line, etc. can be specified from the SEM image when the cross section (YZ cross section) parallel to the vertical direction of the
さらに、集電体要素135等のYZ断面において、接合層138は、下記の第2の要件を満たす。
第2の要件:「第1の位置P1と第3の位置P3との間の第1の距離ΔZは、第2の位置P2と第3の位置P3との間の第2の距離ΔYより長い。」
Further, in the YZ cross section of the
Second requirement: "The first distance ΔZ between the first position P1 and the third position P3 is longer than the second distance ΔY between the second position P2 and the third position P3. . "
さらに、集電体要素135等のYZ断面において、接合層138は、下記の第3の要件を満たす。
第3の要件:「互いに隣り合う2つの集電体要素135のそれぞれと空気極114とを接合する接合層138同士の端部分138Bは互いに繋がっている。」
なお、このように、接合層138が第3の要件を満たすことによって、空気極114の空気極側集電体134側の表面全体のうち、平面視で、集電体要素135と対向する対向領域だけでなく、互いに隣り合う該対向領域同士の間の非対向領域にも、接合層138が一体的に形成される。また、本実施形態の複合体200では、互いに直交する2方向(Y方向およびX方向)の両方向において、接合層138は、第3の要件を満たす。また、本実施形態の複合体200では、空気極114の空気極側集電体134側の表面全体の90%以上の領域に接合層138が形成されている。
Further, in the YZ cross section of the
Third requirement: "The
As described above, when the
なお、上記第1の要件や第2の要件を満たす接合層138の製造方法の例として、次の方法1と方法2とがある。
方法1:上述した集電体要素135と空気極114とを接合するための焼成工程において、接合層用のペーストから接合層138が形成される際の接合層138の焼成収縮率を調整する方法である。接合層138の焼成収縮率が大きいほど、接合層138の端部分138Bの外形線が湾曲し易くなる。このため、接合層138の焼成収縮率を調整することにより、上記第1の要件や第2の要件を満たす接合層138を製造することができる。なお、接合層138の焼成収縮率を大きくするには、例えば、接合層用のペーストに含まれるバインダの含有率を高くしたり、接合層用のペーストに含まれる金属材料(Zn等)の粒径を小さくしたりすればよい。
方法2:空気極114上に一の接合層用のペーストを塗布して乾燥し、その乾燥後の一の接合層用のペースト上に別の接合層用のペーストを塗布して乾燥する方法である。この際、別の接合層用のペーストの焼成収縮率を、一の接合層用のペーストの焼成収縮率より大きくすることにより、接合層138の端部分138Bの外形線が湾曲し易くなるため、上記第1の要件や第2の要件を満たす接合層138を製造することができる。
In addition, as an example of the manufacturing method of the
Method 1: In the firing step for joining the
Method 2: By applying a paste for one bonding layer on the
A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の複合体200では、接合層138は、集電体要素135等のYZ断面において、上述の第1の要件A「接合層138は、中央部分138Aと、中央部分138Aに対して横方向(Y方向)の少なくとも一方側に位置する端部分138Bと、を含んでいる。」を満たす。このため、本実施形態の複合体200によれば、接合層138が端部分138Bを含まない構成に比べて、接合層138と空気極114との接触面積が広く、その結果、集電体要素135と空気極114との接合強度を高くすることができる。
A-4. Effect of this embodiment:
As described above, in the composite 200 of the present embodiment, the
また、本実施形態の複合体200では、接合層138は、集電体要素135等のYZ断面において、第1の要件B「端部分138Bの空気室166に面する外形線は、空気極114に近づくにつれて接合層138の中央部分138Aから離間し、かつ、中央部分138A側に湾曲した湾曲線を含んでいる。」と、第1の要件C「仮想三角形の面積に対する特定領域Rの面積の割合は20%以上である。」とを満たす。このため、本実施形態の複合体200によれば、接合層138の端部分138Bの外形線が傾斜直線である構成に比べて、接合層138の中央部分138Aに、空気室166からの酸化剤ガスOGが十分に拡散されないことに起因して複合体200の性能が低下することを抑制することができる。この点について、次に詳説する。
Further, in the composite 200 of the present embodiment, the
図7は、実施例の複合体200と比較例の複合体200Xとにおける酸化剤ガスOGの拡散効果を示す説明図である。実施例の複合体200は、接合層138の端部分138Bの外形線が傾斜湾曲線138Cである構成であり、接合層138は、上述の第1の要件A〜Cを全て満たす。比較例の複合体200Xは、接合層138Xの端部分138BXの外形線が傾斜直線138CXである構成であり、接合層138は、上述の第1の要件Aを満たすが、第1の要件B,Cを満たさない。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the diffusion effect of the oxidant gas OG in the complex 200 of the example and the complex 200X of the comparative example. The composite 200 of the embodiment has a configuration in which the outer line of the
図7における網がけ領域Hは、各接合層138,138Xの端部分138B,138BXの外形線(接合層138,138Xの露出面)からの離間距離が所定距離以内の露出面近傍領域Hを意味する。また、図7の下側には、電流密度の分布を示すグラフが示されている。図7に示すように、接合層138,138Xの中央部分138A,138AX(特に空気極114との界面近傍)において電流密度が高くなっており、発電反応(酸化剤ガスOGのイオン化反応)に寄与する電子が多く存在する。このため、空気室166から接合層138,138Xの中央部分138A,138AXへの酸化剤ガスOGの拡散性が高いほど、空気室166への酸化剤ガスOGの供給量に対する複合体200,200Xの発電量が多くなるため、複合体200,200Xの発電効率が高くなり、燃料電池スタック100(複合体200,200X)の発電性能の向上を図ることができる。
The shaded area H in FIG. 7 means a region near the exposed surface in which the distance from the outer lines of the
しかし、比較例の複合体200Xでは、接合層138Xの端部分138BXの外形線が傾斜直線138CXである。このため、全体的に、接合層138Xの端部分138BXの外形線(接合層138Xの露出面)と接合層138Xの中央部分138AX(特に空気極114との界面近傍)との間の距離が長い。したがって、接合層138Xの中央部分138AXに、空気室166からの酸化剤ガスOGが十分に拡散されないことに起因して複合体200Xの発電性能が低下する。これに対して、実施例の複合体200では、接合層138の端部分138Bの外形線が傾斜湾曲線138Cである。このため、全体的に、接合層138の端部分138Bの外形線(接合層138の露出面)と接合層138の中央部分138A(特に空気極114との界面近傍)との間の距離が短い。したがって、接合層138の中央部分138Aに、空気室166からの酸化剤ガスOGが十分に拡散されないことに起因して複合体200Xの発電性能が低下することを抑制することができる。
However, in the composite 200X of the comparative example, the outer line of the end portion 138BX of the
なお、本実施形態の複合体200によれば、例えば接合層138の端部分138Bの外形線が折れ線である構成に比べて、接合層138の特定箇所に応力が集中することに起因して破損等が生じることを抑制することができる。
According to the composite 200 of the present embodiment, for example, as compared with the configuration in which the outer line of the
また、本実施形態の複合体200では、接合層138は、集電体要素135等のYZ断面において、第2の要件「第1の位置P1と第3の位置P3との間の第1の距離ΔZは、第2の位置P2と第3の位置P3との間の第2の距離ΔYより長い。」を満たす。このため、本実施形態の複合体200によれば、第1の距離ΔZが第2の距離ΔYより短い構成に比べて、接合層138の端部分138Bの露出面全体が中央部分138Aに近くなることによって、空気室166からの酸化剤ガスOGが中央部分138Aに拡散され易くなるため、酸化剤ガスOGの拡散不足に起因する複合体200の発電性能の低下をより効果的に抑制することができる。
Further, in the composite 200 of the present embodiment, the
また、本実施形態の複合体200では、接合層138は、集電体要素135等のYZ断面において、第3の要件「互いに隣り合う2つの集電体要素135のそれぞれと空気極114とを接合する接合層138同士の端部分138Bは互いに繋がっている。」を満たす。このため、本実施形態の複合体200によれば、互いに隣り合う接合層138同士の端部分138Bが互いに離間している構成に比べて、接合層138と空気極114との間の剥離を抑制することができる。
Further, in the composite 200 of the present embodiment, the
A−5.性能評価:
複数の複合体のサンプルを作製し、作製された複数の複合体のサンプルを用いて性能評価を行った。図8は、性能評価結果を示す説明図である。以下、この性能評価について説明する。なお、図8中の「特定領域R面積」欄および「仮想三角形面積」欄の数値の単位はμm2である。また、図8中の「面積割合」は、上述の仮想三角形の面積に対する特定領域Rの面積の割合を意味する。また、図8中の各要件欄の「○」は、各要件を満たすことを意味し、「×」は、同要件を満たさないことを意味する。また、図8中の「第1の距離ΔZ」欄および「第2の距離ΔY」欄の数値の単位はμmである。また、図8中の「判定」は、各サンプルの発電性能の評価結果を意味する。具体的には、各サンプルを複数備える燃料電池スタックを構成し、例えば、温度700℃、電流密度0.5A/cm2で発電運転を行ったときの1つの複合体(単セル)あたりの電圧(発電出力)を測定した。「判定」欄の「×」は、比較例1における電圧の測定値を基準電圧とし、該基準電圧に対する他のサンプルにおける電圧の測定値の増加率(改善率)が2%未満であることを意味する。「判定」欄の「〇」は、該増加率が2%以上、4%以下であることを意味し、「判定」欄の「◎」は、該増加率が4%より大きいことを意味する。
A-5. Performance evaluation:
Samples of a plurality of complexes were prepared, and performance evaluation was performed using the samples of the prepared multiple complexes. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result. This performance evaluation will be described below. The unit of the numerical values in the "specific area R area" column and the "virtual triangle area" column in FIG. 8 is μm 2 . Further, the "area ratio" in FIG. 8 means the ratio of the area of the specific region R to the area of the above-mentioned virtual triangle. Further, "○" in each requirement column in FIG. 8 means that each requirement is satisfied, and "x" means that the same requirement is not satisfied. Further, the unit of the numerical values in the "first distance ΔZ" column and the "second distance ΔY" column in FIG. 8 is μm. Further, "determination" in FIG. 8 means the evaluation result of the power generation performance of each sample. Specifically, a fuel cell stack including a plurality of samples is configured, and for example, a voltage per composite (single cell) when power generation operation is performed at a temperature of 700 ° C. and a current density of 0.5 A / cm 2. (Power generation output) was measured. “X” in the “judgment” column indicates that the measured value of the voltage in Comparative Example 1 is used as the reference voltage, and the rate of increase (improvement rate) of the measured value of the voltage in other samples with respect to the reference voltage is less than 2%. means. "○" in the "judgment" column means that the rate of increase is 2% or more and 4% or less, and "◎" in the "judgment" column means that the rate of increase is greater than 4%. ..
A−5−1.各サンプルについて:
図8に示すように、複合体の性能評価は、比較例1,2および実施例1〜3を対象として行った。比較例1は、面積割合が7.1%であり、第1の要件(第1の要件C)を満たさない。但し、比較例1は、第2の要件を満たす。比較例2は、面積割合が14.4%であり、第1の要件(第1の要件C)を満たさず、また、第2の要件も満たさない。一方、実施例1は、面積割合が25.8%であり、実施例2は、面積割合が41.6%であり、実施例3は、面積割合が48.6%であり、実施例1〜3は、いずれも第1の要件を満たす。但し、実施例1,2は、第2の要件を満たさず、実施例3のみ、第2の要件を満たす。
A-5-1. For each sample:
As shown in FIG. 8, the performance evaluation of the complex was carried out for Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 3. In Comparative Example 1, the area ratio is 7.1%, which does not satisfy the first requirement (first requirement C). However, Comparative Example 1 satisfies the second requirement. In Comparative Example 2, the area ratio is 14.4%, which does not satisfy the first requirement (first requirement C) and does not satisfy the second requirement. On the other hand, Example 1 has an area ratio of 25.8%, Example 2 has an area ratio of 41.6%, and Example 3 has an area ratio of 48.6%. All of ~ 3 satisfy the first requirement. However, Examples 1 and 2 do not satisfy the second requirement, and only Example 3 satisfies the second requirement.
A−5−2.評価結果:
図8に示すように、比較例1,2では、いずれも、発電特性の評価において不良(×)であると判定された。これに対して、実施例1〜3では、いずれも、発電特性の評価において良好(○)以上であると判定された。この評価結果からも、仮想三角形の面積に対するRの面積の割合が20%以上であることを含む第1の要件を満たすことによって、複合体の発電特性を向上させることができることが分かる。比較例1,2のように面積割合が20%未満である構成では、やはり、接合層の端部分の外形線が略直線状であるため、該端部分の外形線(接合層の露出面)と接合層の中央部分(特に空気極との界面近傍)との間の距離が長い。したがって、接合層の中央部分に、空気室からの酸化剤ガスが十分に拡散されないことに起因して複合体の発電性能が低いと考えられる。
A-5-2. Evaluation results:
As shown in FIG. 8, in Comparative Examples 1 and 2, it was determined that all of them were defective (x) in the evaluation of the power generation characteristics. On the other hand, in Examples 1 to 3, it was determined that all of them were good (◯) or better in the evaluation of the power generation characteristics. From this evaluation result, it can be seen that the power generation characteristics of the complex can be improved by satisfying the first requirement including that the ratio of the area of R to the area of the virtual triangle is 20% or more. In the configuration in which the area ratio is less than 20% as in Comparative Examples 1 and 2, since the outer line of the end portion of the joint layer is also substantially linear, the outer line of the end portion (exposed surface of the joint layer). The distance between and the central part of the junction layer (especially near the interface with the air electrode) is long. Therefore, it is considered that the power generation performance of the complex is low due to the fact that the oxidant gas from the air chamber is not sufficiently diffused in the central portion of the bonding layer.
また、実施例3では、発電特性の評価において最良(◎)であると判定された。実施例3では、さらに、第2の要件を満たすことによって、実施例1,2に比べて、接合層の端部分の露出面全体が接合層の中央部分に近くなることによって、空気室からの酸化剤ガスが中央部分に拡散され易くなり、その結果、酸化剤ガスの拡散不足に起因する複合体の性能の低下がより効果的に抑制されたと考えられる。また、実施例1〜3の評価結果によれば、面積割合が45%以上であることがより好ましい。 Further, in Example 3, it was determined to be the best (⊚) in the evaluation of the power generation characteristics. In the third embodiment, by further satisfying the second requirement, the entire exposed surface of the end portion of the junction layer is closer to the central portion of the junction layer as compared with the first and second embodiments, so that the air chamber is released from the air chamber. It is considered that the oxidant gas is easily diffused to the central portion, and as a result, the deterioration of the performance of the complex due to the insufficient diffusion of the oxidant gas is suppressed more effectively. Further, according to the evaluation results of Examples 1 to 3, the area ratio is more preferably 45% or more.
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to each of the above-described embodiments, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof, and for example, the following modifications are also possible.
上記実施形態では、接合層138が、第1の要件から第3の要件の全てを満たすとしたが、少なくとも第1の要件を満たしていればよく、第2の要件および第3の要件の少なくとも1つを満たさないとしてもよい。例えば、互いに隣り合う2つの集電体要素135のそれぞれと空気極114とを接合する接合層138同士の端部分138Bは、互いに繋がっておらず、空気極側集電体134の非対向領域が露出しているとしてもよい。また、上記実施形態では、接合層138における中央部分138Aの両側に位置する2つの端部分138Bのそれぞれについて、第1の要件を満たすとしているが、2つの端部分138Bの少なくとも1つについて、第1の要件を満たしていれば本発明の効果を得ることができる。また、上記実施形態では、空気極側集電体134を構成する全ての集電体要素135について、第1の要件を満たすとしたが、これに限らず、少なくとも1つの集電体要素135について、第1の要件を満たせばよい。また、上記実施形態では、集電体要素135等の上下方向に平行で、互いに直交する2つ断面(XZ断面およびYZ断面)において、接合層138が第1の要件を満たすとしたが、集電体要素135等の上下方向に平行な少なくとも1つの断面(YZ断面)において、接合層138が第1の要件を満たせばよい。例えば、集電体要素135等の上下方向に平行な全ての断面において、接合層138が第1の要件を満たすとしてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、集電体要素135の横方向(Y軸方向)の幅は、集電体要素135の上下方向の全長にわたって略同一であるとしているが、例えば、集電体要素135の幅が空気極114に近づくにつれて狭くなっているとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the width of the
また、上記実施形態において、端部分138Bは、集電体要素135の外形線のうち、横方向の端側に位置し、かつ、上下方向に略平行な側辺を覆っていないとしてもよい。例えば、端部分138Bの上端が、集電体要素135における空気極114との対向面(下面)に接しているとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、単セルの空気極側に配置される集電部材が有する突出部と空気極とが導電性の接合部によって接合される構成に本発明を適用した例を説明したが、単セルの燃料極側に配置される集電部材が有する突出部と燃料極とが導電性の接合部によって接合される構成に本発明を適用してもよい。 Further, in the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a configuration in which a protruding portion of a current collector member arranged on the air electrode side of a single cell and an air electrode are joined by a conductive joint portion has been described. The present invention may be applied to a configuration in which a protruding portion of a current collector member arranged on the fuel electrode side of a single cell and a fuel electrode are joined by a conductive joint portion.
また、上記各実施形態では、コート136および接合層138は、主成分元素が互いに同一であるスピネル型酸化物により形成されているが、主成分元素が互いに異なるスピネル型酸化物により形成されていてもよい。また、上記各実施形態では、コート136および接合層138は、ZnとMnとCoとCuとの少なくとも1つを含むスピネル型酸化物により形成されているが、これらの元素を含まないスピネル型酸化物により形成されていてもよい。また、上記各実施形態では、コート136および接合層138は、スピネル型酸化物により形成されているが、ペロブスカイト型酸化物等の他の材料により形成されていてもよい。また、上記実施形態において、集電体要素135がコート136に覆われていないとしてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態において、電解質層112は固体酸化物により形成されているとしているが、電解質層112は固体酸化物の他に他の物質を含んでいてもよい。また、上記各実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記各実施形態では、空気極側集電体134は、Crを含む金属により形成されているが、空気極側集電体134は、コート136により覆われていれば他の材料により形成されていてもよい。また、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の形状は、四角柱状に限らず、インターコネクタ150側から空気極114側に突出するような形状であれば他の形状であってもよい。
Further, in each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態において、電解質層112と空気極114との間に、例えばセリアを含む反応防止層を設け、電解質層112内のジルコニウム等と空気極114内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層112と空気極114との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。また、上記各実施形態において、空気極側集電体134と、隣接するインターコネクタ150とが別部材であってもよい。また、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と、隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
Further, in each of the above embodiments, a reaction prevention layer containing, for example, ceria is provided between the
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102について、集電体要素135は第1の要件を満たすとしたが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの発電単位102について、そのような構成となっていれば、空気室166からの酸化剤ガスOGが十分に拡散されないことに起因して複合体200の性能が低下することを抑制するという効果を奏する。
Further, in the above embodiment, the
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
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016−81813号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、貫通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、貫通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、集電体要素135は少なくとも第1の要件を満たすという構成を採用すれば、ガス室からのガスが十分に拡散されないことに起因して集電部材−電気化学反応単セル複合体の性能が低下することを抑制することができる。という効果を奏する。
Further, in the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention comprises an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic cell unit, which is the smallest unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, but is generally the same as the
22:ボルト 24:ナット 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:貫通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 136:コート 138,138X:接合層 138A,138AX:中央部分 138B,138BX:端部分 138C:傾斜湾曲線 138CX:傾斜直線 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 200,200X:複合体 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス H:露出面近傍領域 L1:第1の仮想直線 L2:第2の仮想直線 L3:第3の仮想直線 L4:第4の仮想直線 OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス P1:第1の位置 P2:第2の位置 P3:第3の位置 R:特定領域 Y:第1の距離Δ Z:第2の距離Δ 22: Bolt 24: Nut 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Through hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air pole 116: Fuel pole 120: Separator 121: Hole 124: Join Part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidizing agent gas supply communication hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 136: Coat 138, 138X: Bonding layer 138A , 138AX: Central part 138B, 138BX: End part 138C: Inclined curved line 138CX: Inclined straight line 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collection Body 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel Gas discharge manifold 176: Fuel chamber 200, 200X: Complex FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas H: Area near exposed surface L1: First virtual straight line L2: Second virtual straight line L3: Third virtual straight line L4: Fourth virtual straight line OG: Oxidizing agent gas OOG: Oxidizing agent off gas P1: First position P2: Second position P3: Third position R: Specific area Y: First distance Δ Z: Second distance Δ
Claims (4)
前記単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極に向けて突出するとともに前記空気極から離間している突出部を有する集電部材と、
前記突出部と前記空気極とを接合し、導電性を有するとともに気孔が存在する接合部と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記突出部と前記接合部と前記空気極とを含む前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、
前記接合部は、前記突出部と前記空気極との間に位置する中央部分と、前記中央部分に対して前記第1の方向に直交する第2の方向の少なくとも一方側に位置する端部分と、を含んでおり、
前記端部分の外形線は、前記空気極に近づくにつれて前記中央部分から離間するように前記中央部分側に湾曲した湾曲線を含んでおり、
前記突出部と前記接合部の前記端部分との境界において前記空気極に最も近い部位を通り、かつ、前記第2の方向に平行な第1の仮想直線と交差する前記端部分の前記外形線上の位置を、第1の位置とし、
前記端部分において前記第1の方向の厚さが最も薄い部分のうち、前記中央部分に最も近い部位における前記端部分の前記外形線上の位置を、第2の位置とし、
前記第1の位置を通り、かつ、前記第1の方向に平行な第2の仮想直線と、前記第2の位置を通り、かつ、前記第2の方向に平行な第3の仮想直線とが交差する位置を、第3の位置とした場合、
前記第1の位置と前記第2の位置と前記第3の位置とを頂点とする仮想三角形の面積に対し、前記第1の位置と前記第2の位置とを結ぶ第4の仮想直線と前記湾曲線とに囲まれる特定領域の面積の割合は20%以上であることを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 A single cell containing an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer.
Wherein disposed on the air electrode side of the unit cell, and the current collecting member having a protruding portion that is spaced apart from the cathode with projecting toward the air electrode,
In a current collector-electrochemical reaction single-cell complex comprising a junction that joins the protrusion and the air electrode and has conductivity and pores.
In at least one cross section parallel to the first direction, including the protrusion, the joint, and the air electrode.
The joint includes a central portion located between the protrusion and the air electrode, and an end portion located on at least one side of the second direction orthogonal to the central portion. , Including,
The outline of the end portion includes a curved line curved toward the central portion so as to move away from the central portion as it approaches the air electrode.
On the outline of the end portion that passes through the portion closest to the air electrode at the boundary between the protrusion and the end portion of the joint and intersects the first virtual straight line parallel to the second direction. Let the position of be the first position
The position of the end portion on the outer line at the portion closest to the central portion among the portions having the thinnest thickness in the first direction at the end portion is defined as the second position.
A second virtual straight line passing through the first position and parallel to the first direction and a third virtual straight line passing through the second position and parallel to the second direction are formed. When the intersecting position is the third position,
The fourth virtual straight line connecting the first position and the second position with respect to the area of the virtual triangle having the first position, the second position, and the third position as vertices and the said. A current collector-electrochemical reaction single cell complex, characterized in that the ratio of the area of a specific region surrounded by a curved line is 20% or more.
前記少なくとも1つの断面において、
前記第1の位置と前記第3の位置との間の第1の距離は、前記第2の位置と前記第3の位置との間の第2の距離より長いことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collector-electrochemical reaction single cell complex according to claim 1.
In the at least one cross section
The first distance between the first position and the third position is longer than the second distance between the second position and the third position. Member-electrochemical reaction single cell complex.
前記集電部材は、前記突出部を複数有しており、
前記少なくとも1つの断面において、
互いに隣り合う2つの前記突出部のそれぞれと前記空気極とを接合する前記接合部同士の前記端部分は互いに繋がっていることを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collector-electrochemical reaction single cell complex according to claim 1 or 2.
The current collecting member has a plurality of the protruding portions, and the current collecting member has a plurality of the protruding portions.
In the at least one cross section
A current collector-electrochemical reaction single cell complex, characterized in that the end portions of the joints that join each of the two adjacent protrusions and the air electrode are connected to each other.
前記複数の集電部材−電気化学反応単セル複合体の少なくとも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集電部材−電気化学反応単セル複合体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 with a plurality of current collector-electrochemical reaction single cell complexes.
At least one of the plurality of current collecting member-electrochemical reaction single cell complex is the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex according to any one of claims 1 to 3. An electrochemical reaction cell stack characterized by.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017224759A JP6878257B2 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017224759A JP6878257B2 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019096467A JP2019096467A (en) | 2019-06-20 |
JP6878257B2 true JP6878257B2 (en) | 2021-05-26 |
Family
ID=66973054
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017224759A Active JP6878257B2 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6878257B2 (en) |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5051969B2 (en) * | 2004-05-25 | 2012-10-17 | 京セラ株式会社 | FUEL CELL STACK, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING THE FUEL CELL STACK |
JP5356624B1 (en) * | 2012-06-29 | 2013-12-04 | 日本碍子株式会社 | A joined body in which the power generation parts of a solid oxide fuel cell are electrically connected |
JP5981360B2 (en) * | 2013-01-30 | 2016-08-31 | 京セラ株式会社 | Cell stack device and fuel cell |
JP6394143B2 (en) * | 2014-07-22 | 2018-09-26 | 株式会社デンソー | Solid oxide fuel cell |
KR101926293B1 (en) * | 2015-03-26 | 2018-12-06 | 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤 | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack |
JP6283330B2 (en) * | 2015-06-19 | 2018-02-21 | 日本特殊陶業株式会社 | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack |
JP6166418B2 (en) * | 2016-04-08 | 2017-07-19 | 京セラ株式会社 | Cell stack and fuel cell module |
-
2017
- 2017-11-22 JP JP2017224759A patent/JP6878257B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019096467A (en) | 2019-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102072374B1 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP6147441B2 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP6283330B2 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP2018206693A (en) | Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP7236966B2 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
JP6773472B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6839022B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6773628B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6177836B2 (en) | Method for producing bonding material precursor and method for producing electrochemical reaction cell stack | |
JP6878257B2 (en) | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack | |
JP6867852B2 (en) | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and battery chemical reaction cell stack | |
JP7096645B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6754249B2 (en) | Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack | |
JP6821613B2 (en) | Conductive members, electrochemical reaction units and electrochemical reaction cell stack | |
JP7187382B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP7042783B2 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
JP6839021B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP2017154968A (en) | Joint material precursor, electrochemical reaction cell stack, and their production methods | |
JP6959039B2 (en) | Method for manufacturing electrochemical reaction unit, electrochemical reaction cell stack, and electrochemical reaction unit | |
JP7096644B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6734707B2 (en) | Current collecting member-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack | |
JP7096643B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP6774230B2 (en) | Current collector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack | |
JP2019021502A (en) | Conductive member, electrochemical reaction unit, and electrochemical reaction cell stack | |
JP2018041570A (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191118 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20191224 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201016 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201110 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201203 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210427 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210428 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6878257 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |