JP7016334B2 - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。 The technique disclosed herein relates to an electrochemical reaction single cell.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを備える。空気極は、活性層と、活性層に対して電解質層とは反対側に配置された集電層と、を含む(例えば特許文献1参照)。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of the types of fuel cells that generate power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”), which is a constituent unit of SOFC, has an electrolyte layer containing a solid oxide and a predetermined direction (hereinafter, referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. It is provided with an air electrode and a fuel electrode facing each other. The air electrode includes an active layer and a current collector layer arranged on the opposite side of the active layer from the electrolyte layer (see, for example, Patent Document 1).
空気極が活性層と集電層とを含んでいる上述のSOFCでは、活性層と集電層との剥離が生じやすい、という問題があった。なお、このような課題は、活性層および集電層に限らず、空気極が第1の層と第2の層とを含んでいるSOFCにも共通の課題である。また、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」ともいう)の構成単位である電解単セルにも共通の課題である。また、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルという。 In the above-mentioned SOFC in which the air electrode includes the active layer and the current collector layer, there is a problem that the active layer and the current collector layer are likely to be separated from each other. It should be noted that such a problem is not limited to the active layer and the current collector layer, but is a problem common to SOFCs in which the air electrode includes the first layer and the second layer. Further, such a problem is common to the electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter, also referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. It is an issue. Further, in the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The techniques disclosed herein can be realized, for example, in the following forms.
(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、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、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極は、第1の層と、第1の層に対して電解質層とは反対側に配置された第2の層と、を含んでおり、前記空気極の前記第1の方向に略平行な少なくとも1つの断面において、最大長さが、前記第1の層の平均粒径より大きく、かつ、前記第2の層の平均粒径より大きい粗大粒子であって、前記第1の層と前記第2の層とに跨がるように位置する粗大粒子が存在している。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. In the chemical reaction single cell, the air electrode includes a first layer and a second layer arranged on the opposite side of the first layer from the electrolyte layer, and the air electrode is the same as the air electrode. Coarse particles having a maximum length larger than the average particle size of the first layer and larger than the average particle size of the second layer in at least one cross section substantially parallel to the first direction. There are coarse particles located so as to straddle the first layer and the second layer.
本電気化学反応単セルでは、空気極の第1の方向に略平行な少なくとも1つの断面において、粗大粒子が存在している。粗大粒子の最大長さは、第1の層の平均粒径より大きく、かつ、第2の層の平均粒径より大きい。また、粗大粒子は、第1の層と第2の層とに跨がるように位置する。このため、粗大粒子は、最大長さが第1の層や第2の層の平均粒径以下である非粗大粒子に比べて、第1の層と第2の層との境界付近において周囲に存在する第1の層や第2の層を形成する他の粒子との接触長さが比較的に長く、その結果、粗大粒子によって第1の層と第2の層との結合力が強くなっている。これにより、本電気化学反応単セルによれば、空気極の第1の層と第2の層との剥離を抑制することができる。 In this electrochemical reaction single cell, coarse particles are present in at least one cross section substantially parallel to the first direction of the air electrode. The maximum length of the coarse particles is larger than the average particle size of the first layer and larger than the average particle size of the second layer. Further, the coarse particles are located so as to straddle the first layer and the second layer. Therefore, the coarse particles are located in the vicinity of the boundary between the first layer and the second layer in comparison with the non-coarse particles whose maximum length is equal to or smaller than the average particle size of the first layer and the second layer. The contact length with the existing first layer and other particles forming the second layer is relatively long, and as a result, the coarse particles strengthen the bonding force between the first layer and the second layer. ing. Thereby, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress the separation between the first layer and the second layer of the air electrode.
(2)上記電気化学反応単セルにおいて、さらに、前記少なくとも1つの断面において、前記第1の層および前記第2の層の少なくとも一方では、1つの前記粗大粒子は、複数個の他の粒子と接触している構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第1の層および第2の層のいずれにおいても、1つの粗大粒子に接触している他の粒子が1つ以下である構成に比べて、粗大粒子による第1の層と第2の層との結合力が強いため、空気極の第1の層と第2の層との剥離を、より効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, further, in the at least one cross section, at least one of the first layer and the second layer, one coarse particle is a plurality of other particles. It may be in contact with each other. According to the present electrochemical reaction single cell, in both the first layer and the second layer, the coarse particles are used as compared with the configuration in which one or less other particles are in contact with one coarse particle. Since the bonding force between the first layer and the second layer is strong, the separation of the first layer and the second layer of the air electrode can be suppressed more effectively.
(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記少なくとも1つの断面において、前記粗大粒子の最大長さは、2μm以上である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、粗大粒子の最大長さが2μm未満である構成に比べて、周囲に存在する他の粒子との接触長さがさらに長くなるため、空気極の第1の層と第2の層との剥離を、より効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the maximum length of the coarse particles may be 2 μm or more in the at least one cross section. According to this electrochemical reaction single cell, the contact length with other particles existing in the vicinity is further longer than that of the configuration in which the maximum length of the coarse particles is less than 2 μm, so that the first air electrode is used. The peeling between the layer and the second layer can be suppressed more effectively.
(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記少なくとも1つの断面において、前記粗大粒子の最大長さは、4μm以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、粗大粒子の最大長さが4μmより広い構成に比べて、粗大粒子の存在に起因して例えば第1の層にクラックが発生することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the maximum length of the coarse particles may be 4 μm or less in the at least one cross section. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress the generation of cracks in, for example, the first layer due to the presence of the coarse particles, as compared with the configuration in which the maximum length of the coarse particles is wider than 4 μm. ..
(5)上記電気化学反応単セルにおいて、前記少なくとも1つの断面において、前記第1の層と前記第2の層との境界線の100μm当たりの前記粗大粒子の存在個数は、1個以上である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第1の層と第2の層との境界線の100μm当たりの粗大粒子の存在個数が1個未満である構成に比べて、第1の層と第2の層との境界付近に多くの粗大粒子が点在することにより、粗大粒子による第1の層と第2の層との結合力が強いため、空気極の第1の層と第2の層との剥離を、より効果的に抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction single cell, the number of the coarse particles per 100 μm of the boundary line between the first layer and the second layer is one or more in the at least one cross section. It may be configured. According to the present electrochemical reaction single cell, the first layer and the second layer are compared with the configuration in which the number of coarse particles per 100 μm at the boundary line between the first layer and the second layer is less than one. Since many coarse particles are scattered near the boundary with the layer, the bonding force between the first layer and the second layer by the coarse particles is strong, so that the first layer and the second layer of the air electrode are formed. The peeling with and can be suppressed more effectively.
(6)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単セルを備え、前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、上記の電気化学反応単セルである構成としてもよい。 (6) In the electrochemical reaction cell stack, a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction are provided, and at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the above-mentioned electrochemical reaction. It may be configured as a single cell.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), and a plurality of electrochemical reaction single cells. It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) provided, a method for manufacturing the same, and the like.
A.実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
A
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the positive side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis) on the outer circumference of the
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
The
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Structure of
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
(Structure of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112の上下方向の一方側(下側)に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112の上下方向の他方側(上側)に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層180)を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物であるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)を含むように形成されている。すなわち、電解質層112は、Zr(ジルコニウム)とY(イットリウム)とを含んでいる。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、Sr(ストロンチウム)を含む組成物で形成されている。空気極114の構成については、後に詳述する。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
中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、GDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように形成されている。中間層180は、空気極114から拡散したSrが電解質層112に含まれるZrと反応して高抵抗なSZO(SrZrO3)が生成されることを抑制する。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されているとしてもよい。また、空気極側集電体134は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
The air pole side
A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A-3.空気極114の詳細構成:
図6は、単セル110の詳細構成を示す説明図である。図6には、図4の領域X1における単セル110のXZ断面構成が示されている。
A-3. Detailed configuration of air pole 114:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
本実施形態では、空気極114は、集電層210と、集電層210と電解質層112(および中間層180)との間に配置された活性層220とから構成されている。空気極114の活性層220は、主として、酸化剤ガスOGに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する層であり、主に電子を伝導するLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)と主に酸素イオンを伝導するGDC(ガドリニウムドープセリア)とを含むように形成されている。活性層220がGDCを含んでいると、活性層220とGDCを含む中間層180との接合性を高めることができると共に、活性層220における反応性を向上させることができる。また、空気極114の集電層210は、主として、空気室166から供給された酸化剤ガスOGを拡散させると共に、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する層であり、LSCFを含むように形成されている。
In the present embodiment, the
本実施形態では、集電層210を構成する材料(LSCF)の平均粒径と、活性層220を構成する材料(LSCF、GDC)の平均粒径とは異なる。具体的には、集電層210を構成する材料の平均粒径は、活性層220を構成する材料の平均粒径より大きい。また、集電層210における酸化剤ガスOGの拡散性を高めるため、集電層210における気孔率は、活性層220の気孔率より高い。このように集電層210と活性層220とは、平均粒径や気孔率の差が大きいほど、両層の熱膨張差が大きく、両者の接触面積が小さくなるため、集電層210と活性層220との剥離が特に生じやすい。なお、集電層210は、例えば、上下方向の厚さが30μm以上、200μm以下であり、気孔率が20%以上、35%以下であり、平均粒径は1μm未満である。活性層220は、例えば、上下方向の厚さが5μm以上、30μm以下であり、気孔率が5%以上、25%以下であり、平均粒径は0.6μm未満である。また、活性層220は、特許請求の範囲における第1の層に相当し、集電層210は、特許請求の範囲における第2の層に相当する。
In the present embodiment, the average particle size of the material (LSCF) constituting the
図7は、本実施形態の単セル110と比較例の単セル110Aとの詳細構成を示す説明図である。図7(A)には、本実施形態の単セル110における集電層210と活性層220との境界付近のXZ断面構成が示されており、図7(B)には、比較例の単セル110Aにおける集電層210と活性層220との境界付近のXZ断面構成が示されている。図7において、符号212の粒子は、集電層210を構成するLSCFの粒子を意味し、符号222の粒子は、活性層220を構成するLSCFの粒子を意味し、符号224の粒子は、活性層220を構成するGDCの粒子を意味し、符号214の粒子は、次述する粗大粒子を意味する。なお、本実施形態では、集電層210を構成するLSCFの粒子の平均粒径は、活性層220を構成するLSCFの粒子の平均粒径より大きい。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
本実施形態では、空気極114は、次の第1の要件を満たす。
第1の要件:電解質層112を挟んで空気極114と燃料極116とが対向する方向(上下方向)に略平行な少なくとも1つの断面(例えば図6のXZ断面)において、粗大粒子214が少なくとも1つ存在している。図7(A)に示すように、粗大粒子214の最大長さ(上記断面における粗大粒子214の上下方向に垂直な方向(X軸方向)の最大長さ)は、活性層220の平均粒径より大きく、かつ、集電層210の平均粒径より大きい。また、粗大粒子214は、空気極114を構成する集電層210と活性層220とに跨がるように位置している。ここで、粗大粒子214が、集電層210と活性層220とに跨がるように位置しているとは、図7(A)に示すように、上下方向に略平行な少なくとも1つの断面において、1つの粗大粒子214の一部分が、集電層210と活性層220との境界線Cに対して集電層210側に位置し、該1つの粗大粒子214の他の部分が、境界線Cに対して活性層220側に位置していることを意味する。
In this embodiment, the
First requirement: At least one
なお、粗大粒子214の最大長さは、活性層220の平均粒径の1.5倍以上であり、2倍以上、あるいは4倍以上であってもよい。但し、粗大粒子214の最大厚さは、集電層210の上下方向の厚さより短く、活性層220の上下方向の厚さより短いことが好ましい。また、1つの粗大粒子214は、該粗大粒子214の総面積の10%以上(20%以上がより好ましい)の面積を有する部分が、集電層210と活性層220とのそれぞれの領域内に位置している(図7(A)参照)。また、粗大粒子214は、集電層210を構成する少なくとも1つの他の粒子(LSCFの粒子)と接触しており、活性層220を構成する少なくとも1つの他の粒子(LSCFの粒子、GDCの粒子)と接触している。
The maximum length of the
また、空気極114は、次の第2の要件を満たす。
第2の要件:上記少なくとも1つの断面において、集電層210と活性層220との少なくも一方では、1つの粗大粒子214は、複数個の他の粒子と接触している。例えば、図6において、右側に位置する1つの粗大粒子214は、集電層210側において、集電層210を構成する3つのLSCFの粒子212と接触しており、かつ、活性層220側において、活性層220を構成する2つのLSCFの粒子222と1つのGDCの粒子224と接触している。なお、本実施形態では、図7(A)に示すように、集電層210側において、上下方向(Z軸方向)に平行で、かつ、上下方向に略直交する方向(境界線Cに沿った方向)における粗大粒子214の中心を通る仮想直線LCに対して1つの粗大粒子214の一方側と他方側とのそれぞれに、他の粒子が少なくとも1つずつ接触している。活性層220側において同様に、1つの粗大粒子214の一方側と他方側とのそれぞれに、他の粒子が少なくとも1つずつ接触している。
Further, the
Second requirement: In at least one cross section of the
また、空気極114は、次の第3の要件を満たす。
第3の要件:上記少なくとも1つの断面において、粗大粒子214の最大長さは、2μm以上である。
Further, the
Third requirement: In at least one cross section, the maximum length of the
また、空気極114は、次の第4の要件を満たす。
第4の要件:上記少なくとも1つの断面において、粗大粒子214の最大長さは、4μm以下である。
Further, the
Fourth requirement: In at least one cross section, the maximum length of the
また、空気極114は、次の第5の要件を満たす。
第5の要件:上記少なくとも1つの断面において、集電層210と活性層220との境界線Cの100μm当たりの粗大粒子214の存在個数(以下、「境界線C上における単位長さ辺りの214の出現頻度)は、1個以上である。1つの境界線C上における単位長さ辺りの214の出現頻度は、2個以上が好ましく、3個以上がさらに好ましい。なお、境界線C上における単位長さ辺りの粗大粒子214の出現頻度は、空気極114の断面において、上下方向に直交する方向に互いに異なる位置の複数の画像(下記の分析画像)を取得し、それら複数の画像から、100μm当たりの粗大粒子214の存在個数を求める。
Further, the
Fifth requirement: In at least one cross section, the number of
A-4.空気極114の分析方法:
(分析画像の取得方法)
粒径等に関して空気極114を分析する方法について説明する。まず、空気極114の分析に用いられる分析画像を以下の方法により取得する。単セル110において、上下方向(Z軸方向)に平行な1つの断面(ただし空気極114を含む断面)を任意に設定し、当該断面において空気極114の上下方向における全体が確認できる画像を、分析画像として取得する。より詳細には、空気極114の上側表面(空気極側集電体134と接触する表面)が、画像を上下方向に10等分して得られた10個の分割領域の内の最も上の分割領域内に位置し、かつ、空気極114と電解質層112との境界が、最も下の分割領域内に位置している画像を、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影し、分析画像として取得する。なお、この分析画像は、SEMにより撮影された画像を2値化処理した後の2値化画像でもよい。ただし、2値化画像における粒子等が実際の形態と大きく異なる場合には、SEMにより撮影された2値化処理前の画像のコントラストを調整し、その調整後の画像を2値化処理した画像でもよい。また、分析画像は、SEMにより撮影された2値化処理前の画像そのものでもよい。SEMの画像の倍率は、上記のように空気極114の上下方向における全体が分析画像に収まるような値に設定され、例えば200~30,000倍(より具体的には5,000倍)とすることができるが、これに限定されず、適宜変更することができる。
A-4. Analytical method of air electrode 114:
(Acquisition method of analytical image)
A method of analyzing the
(集電層210と活性層220との境界線Cの決定方法)
活性層220と集電層210との境界線Cは、集電層210の気孔率が活性層220の気孔率より高いという特徴を利用して、以下の方法により特定される。まず、分析画像に対して、上下方向(Z軸方向)に直交する複数の仮想線Kを、0.3μm間隔で空気極114の上側表面から下方に順番に引き、仮想線K1、K2、K3、・・・、Km、・・・、K(m+9)、K(m+10)、・・・、Knを得る。そして、各仮想線Kにおいて気孔と重複する部分の長さを測定し、気孔と重複する部分の長さの合計を算出し、各仮想線Kの全長に対する気孔と重複する部分の長さの合計の比を、当該仮想線K上に存在する気孔の割合(気孔率Ks)とする。次に、各仮想線Kの気孔率Ks1、Ks2、Ks3、・・・、Ksm、・・・、Ks(m+9)、Ks(m+10)、・・・、Ksnのうち、上方側から順番に10個の仮想線Kの気孔率Ksを有する各データ群を設定し、各データ群の10個の気孔率Ksの平均値(Ave)と各データ群の気孔率Ksの標準偏差(σ)を算出する。
(Method of determining the boundary line C between the
The boundary line C between the
上方側から順番に、データ群G1は、Ks1、Ks2、・・・、Ks10からなり、データ群G2は、Ks2、Ks3、・・・、Ks11からなり、データ群Gmは、Ksm、Ks(m+1)、Ks(m+2)、・・・、Ks(m+9)からなり、データ群G(m+1)は、Ks(m+1)、Ks(m+2)、・・・、Ks(m+10)からなる。すなわち、データ群G(m+1)とは、データ群Gmから、データ群Gmの1つ目の仮想線Kmの気孔率Ksmを除いた9個の気孔率(Ks(m+1)、・・・、Ks(m+9))に、データ群の最後の仮想線K(m+9)の次の仮想線K(m+10)の気孔率Ks(m+10)を加えた10個の気孔率Ksからなる一つの群を意味する。そして、「G(m+1)の気孔率Ksの平均値」が「Gmの気孔率Ksの平均値に、Gmの10個の気孔率Ksの標準偏差(σ)の2倍の値を加えた値」を初めて上回ったとき、または、「G(m+1)の気孔率Ksの平均値」が「Gmの気孔率Ksの平均値から、Gmの10個の気孔率Ksの標準偏差(σ)の2倍の値を減じた値」を初めて下回ったときの、データ群G(m+1)の10個目の気孔率Ks(m+10)に対応する仮想線K(m+10)を、活性層220と集電層210との境界(境界線C)とする。すなわち、データ群Gmの気孔率Ksの平均値をGmAve、データ群G(m+1)の気孔率Ksの平均値をG(m+1)Ave、データ群Gmの気孔率Ksの標準偏差をσmとしたとき、下記式(1)を満たす初めてのデータ群G(m+1)の10個目の気孔率Ks(m+10)に対応する仮想線K(m+10)を、活性層220と集電層210との境界とする。この境界が決定されれば、分析画像上において、活性層220と集電層210とを区別することができる。
|(G(m+1)Ave)-(GmAve)|>2σm・・・(1)
In order from the upper side, the data group G1 is composed of Ks1, Ks2, ..., Ks10, the data group G2 is composed of Ks2, Ks3, ..., Ks11, and the data group Gm is Ksm, Ks (m + 1). ), Ks (m + 2), ..., Ks (m + 9), and the data group G (m + 1) is composed of Ks (m + 1), Ks (m + 2), ..., Ks (m + 10). That is, the data group G (m + 1) means nine porosities (Ks (m + 1), ..., Ks) obtained by excluding the porosity Ksm of the first virtual line Km of the data group Gm from the data group Gm. (M + 9)) plus the porosity Ks (m + 10) of the virtual line K (m + 10) next to the last virtual line K (m + 9) of the data group means one group consisting of 10 porosities Ks. .. Then, "the average value of the pore ratio Ks of G (m + 1)" is "the average value of the pore ratio Ks of Gm plus the value twice the standard deviation (σ) of the ten pore ratio Ks of Gm". , Or the "mean value of the pore ratio Ks of G (m + 1)" is 2 of the standard deviation (σ) of 10 pore ratios Ks of Gm from the average value of the pore ratio Ks of Gm. The virtual line K (m + 10) corresponding to the tenth pore ratio Ks (m + 10) of the data group G (m + 1) when it falls below the "value obtained by subtracting the double value" for the first time is the
| (G (m + 1) Ave)-(GmAve) |> 2σm ... (1)
(粒径および気孔径の測定方法)
空気極114の活性層220や集電層210における粒径(平均粒径)は、"水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、1985年3月25日発行、第192頁から第195頁"に記載されている方法(インターセプト方法)に従って特定される。具体的には、図6に示すように、上記分析画像において、集電層210を上下方向(Z軸方向)に4等分するように、該集電層210に、上下方向に直交する方向の直線M1を3本引き、各直線M1上の粒子(但し、境界線C付近に存在する粗大粒子214は除く)にあたる部分の長さを粒径として測定する。また、活性層220を上下方向(Z軸方向)に4等分するように、該活性層220に、上下方向に直交する方向の直線M2を3本引き、各直線M2上の粒子(但し、境界線C付近に存在する粗大粒子214は除く)にあたる部分の長さを粒径として測定する。各層(集電層210、活性層220)に位置する1つまたは複数の直線(M1,M2)上のすべての粒子(但し、境界線C付近に存在する粗大粒子214は除く)についての粒径を計測し、計測値を用いて粒径の平均値(平均粒径)を算出するものとする。
(Measurement method of particle size and pore size)
The particle size (average particle size) of the
A-5.燃料電池スタック100の製造方法:
上述した構成の燃料電池スタック100の製造方法は、例えば以下の通りである。図9は、燃料電池スタック100の製造方法の一例を示すフローチャートである。
A-5. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
The method for manufacturing the
(電解質層112と燃料極116との積層体の形成)
はじめに、電解質層112と燃料極116との積層体を形成する(S110)。具体的には、YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、電解質層用グリーンシートを得る。また、NiOの粉末とYSZの粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて乾燥させ、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
(Formation of a laminate of the
First, a laminate of the
(中間層180の形成)
次に、中間層180を形成する(S120)。具体的には、GDC粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布し、例えば1180℃にて焼成を行う。これにより、中間層180が形成され、燃料極116と電解質層112と中間層180との積層体(以下、「中間積層体L」という)が作製される(図6参照)。
(Formation of intermediate layer 180)
Next, the
(空気極114の形成)
次に、空気極114を形成する。はじめに、LSCF粉末と、GDC粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、活性層220を形成するための材料である活性層用ペーストを調製する(S130)。
(Formation of air electrode 114)
Next, the
次に、準備された活性層用ペーストを、中間積層体Lにおける中間層180側の表面(すなわち、中間積層体Lの燃料極116を基準としたときの電解質層112側の表面)に例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させる(S140)。
Next, the prepared paste for the active layer is applied to, for example, a screen on the surface of the intermediate laminate L on the
次に、LSCF粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、粗大粒子214と集電層210を形成するための材料である集電層用ペーストを調製する(S150)。なお、粗大粒子214は、例えばLSCFの粒子である。
Next, LSCF powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed to adjust the viscosity to form a collection of
次に、準備された粗大粒子214を含む集電層用ペーストを、中間積層体Lにおける活性層220側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布する。この際、集電層用ペーストは有機成分を含んでおり柔軟性を有するため、その集電層用ペーストに含まれている粗大粒子214は、自重により、集電層用ペーストと活性層用ペーストとの境界側に移動しやすい。次に、集電層用ペーストが塗布された中間積層体Lを乾燥させ、中間積層体Lを所定の焼成温度(例えば1100℃)で焼成する(S160)。以下、この焼成工程により、集電層210が形成され、燃料極116と電解質層112と中間層180と活性層220と集電層210との積層体、すなわち、単セル110が作製される。
Next, the paste for the current collector layer containing the prepared
上述の方法により複数の単セル110を作製し、複数の単セル110を、空気極側集電体134や燃料極側集電体144、インターコネクタ150等の集電部材を間に介してZ軸方向に並べて配置し、ボルト22により締結することにより、上述した燃料電池スタック100が製造される(S170)。
A plurality of
A-6.本実施形態の効果:
図7(B)に示す比較例の単セル110Aでは、集電層210と活性層220との境界付近に粗大粒子214が存在しない。このため、集電層210を構成する粒子と活性層220を構成する粒子との接触面積が小さく、結合性が低く、その結果、集電層210と活性層220との剥離が生じやすい。これに対して、以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック100では、空気極114の上下方向(Z軸方向)に略平行な少なくとも1つの断面において、粗大粒子214が存在している(上記第1の要件 図7(A)参照)。粗大粒子214の最大長さは、活性層220の平均粒径より大きく、かつ、集電層210の平均粒径より大きい。また、粗大粒子214は、集電層210と活性層220とに跨がるように位置する。このため、粗大粒子214は、最大長さが集電層210や活性層220の平均粒径以下である非粗大粒子に比べて、集電層210や活性層220との境界付近において周囲に存在する集電層210や活性層220を形成する他の粒子との接触長さが比較的に長く、その結果、粗大粒子214によって集電層210と活性層220との結合力が強くなっている。これにより、本実施形態によれば、空気極114における集電層210と活性層220との剥離を抑制することができる。
A-6. Effect of this embodiment:
In the single cell 110A of the comparative example shown in FIG. 7B, the
また、本実施形態では、上記少なくとも1つの断面において、空気極114を構成する集電層210と活性層220との少なくも一方では、1つの粗大粒子214は、複数個の他の粒子と接触している(上記第2の要件)。このため、本実施形態によれば、集電層210および活性層220のいずれにおいても、1つの粗大粒子214に接触している他の粒子が1つ以下である構成に比べて、粗大粒子214による集電層210と活性層220との結合力が強いため、空気極114における集電層210と活性層220との剥離を、より効果的に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, in at least one cross section of the
また、本実施形態では、上記少なくとも1つの断面において、粗大粒子214の最大長さは、2μm以上である(上記第3の要件)。このため、本実施形態によれば、粗大粒子214の最大長さが2μm未満である構成に比べて、周囲に存在する他の粒子との接触長さがさらに長くなるため、空気極114における集電層210と活性層220との剥離を、より効果的に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the maximum length of the
また、本実施形態では、上記少なくとも1つの断面において、粗大粒子214の最大長さは、4μm以下である(上記第4の要件)。このため、本実施形態によれば、粗大粒子214の最大長さが4μmより広い構成に比べて、粗大粒子214の存在に起因して例えば集電層210や活性層220にクラックが発生することを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, in the at least one cross section, the maximum length of the
また、本実施形態では、上記少なくとも1つの断面において、集電層210と活性層220との境界線Cの100μm当たりの粗大粒子214の存在個数は、1個以上である(上記第5の要件)。このため、本実施形態によれば、集電層210と活性層220との境界線Cの燃料電池スタック100μm当たりの粗大粒子214の存在個数が1個未満である構成に比べて、集電層210と活性層220との境界付近に多くの粗大粒子214が点在することにより、粗大粒子214による集電層210と活性層220との結合力が強いため、空気極における集電層210と活性層220との剥離を、より効果的に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, in at least one cross section, the number of
A-7.性能評価:
複数の単セル110のサンプルを作製し、作製された複数の単セル110のサンプルを用いて各種性能評価を行った。図9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。
A-7. Performance evaluation:
Samples of a plurality of
A-7-1.各サンプルについて:
図9に示すように、空気極114における活性層220と集電層210との剥離の有無についての評価は、サンプル1~10を対象として行った。各サンプルでは、単セル110の上下方向に略平行な断面において、活性層220の平均粒径(μm)と集電層210の平均粒径(μm)と境界線C上に位置する粗大粒子214の最大長さ(μm)との大小関係が互いに異なる。なお、本評価では、粗大粒子214の最大長さは、上記断面において、活性層220と集電層210とが対向する方向(上下方向)に垂直な方向における最大長さとした。
A-7-1. For each sample:
As shown in FIG. 9, the evaluation of the presence or absence of separation between the
具体的には、サンプル1~10では、いずれも粗大粒子214が存在している。但し、サンプル1では、粗大粒子214の最大長さは2.0μm未満であり、サンプル2では、粗大粒子214の最大長さは4.0μmより長い。また、サンプル3,4では、粗大粒子214の最大長さは2.0μm以上、かつ、4.0μm以下であり、集電層210の平均粒径が2.0μm以上である。サンプル5~10では、粗大粒子214の最大長さは2.0μm以上、かつ、4.0μm以下であり、集電層210の平均粒径が1.0μm未満である。また、サンプル5~10では、境界線C上における単位長さ辺りの粗大粒子214の出現頻度が互いに異なる。
Specifically, in each of the
A-7-2.評価項目および評価方法:
上述したように、本性能評価では、空気極114における活性層220と集電層210との剥離の有無についての評価を行った。
A-7-2. Evaluation items and evaluation methods:
As described above, in this performance evaluation, the presence or absence of separation between the
(剥離の有無の評価方法)
作製した各サンプルの単セル110における空気極114の集電層210の表面に市販のセロハン粘着テープを貼り、セロハン粘着テープを剥がす際の集電層210と活性層220との剥離の有無を確認した。単セル110の品質に影響しない程度に若干の剥離が生じた場合には合格(△)と判定し、集電層210と活性層220との剥離が生じなかった場合には良好(○)と判定し、さらに、集電層210内の剥離が生じなかった場合には最良(◎)と判定した。
(Evaluation method for the presence or absence of peeling)
A commercially available cellophane adhesive tape is attached to the surface of the
A-7-3.評価結果:
図9に示すように、サンプル1では、合格(△)と判定された。サンプル1では、粗大粒子214の最大長さは2.0μm未満であり、上述の第3の要件を満たさないため、1つの粗大粒子214に接触する他の粒子の数が少なくなるため、集電層210と活性層220との剥離が比較的に生じやすいと考えられる。
A-7-3. Evaluation results:
As shown in FIG. 9, in
サンプル2では、合格(△)と判定された。サンプル2では、粗大粒子214の最大長さは4.0μmより長く、上述の第4の要件を満たさないため、活性層220の上下方向の厚さに対する粗大粒子214の最大長さが相対的に大きくなることに起因して活性層220にクラックが生じやすく、その結果、集電層210と活性層220との剥離が比較的に生じやすいと考えられる。
In
サンプル3,4では、合格(△)と判定された。サンプル3,4では、粗大粒子214の最大長さは2.0μm以上、かつ、4.0μm以下であるため、粗大粒子214と活性層220を構成する粒子との結合性は確保されるが、集電層210の平均粒径が2.0μm以上であるため、粗大粒子214と集電層210を構成する他の粒子との接触点が少ないため、集電層210内で剥離が生じやすいと考えられる。
In
サンプル5~10では、最良(◎)と判定された。サンプル5~10では、粗大粒子214の最大長さは2.0μm以上、かつ、4.0μm以下であり、集電層210の平均粒径が1.0μm未満である。このため、集電層210と活性層220との剥離だけでなく、集電層210内の剥離も生じなかったと考えられる。また、サンプル5~10では、境界線C上における単位長さ辺りの粗大粒子214の出現頻度が多いほど、集電層210と活性層220との結合性が高く、特に剥離し難いことがわかった。
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof, and for example, the following modifications are also possible.
上記実施形態における単セル110または燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、空気極114は、活性層220と集電層210との二層構成であるとしているが、空気極114が活性層220および集電層210以外の他の層を含むとしてもよい。また、第1の層と第2の層は、集電層210および活性層220以外の層であってもよく、要するに、空気極114において、上下方向に隣接する2つの層であればよい。また、上記実施形態では、単セル110は中間層180を備えているが、単セル110は必ずしも中間層180を備える必要は無い。
The configuration of the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
Further, in the above embodiment, the number of
また、上記実施形態において、空気極114は、上述の第2の要件から第5の要件の少なくとも1つを満たさない構成であってもよい。また、上記実施形態では、空気極114の少なくとも1つの断面において、粗大粒子214が少なくとも1つ存在している(第1の要件)とした。しかし、空気極114の1つの断面において、粗大粒子214が複数存在していることが好ましく、また、空気極114の複数の断面のそれぞれにおいて、第1の要件を満たしていることが好ましい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、上記実施形態では、空気極114(活性層220および集電層210)がLSCFを含むとしているが、LSCFに代えて、あるいはLSCFに加えて、例えばLSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)やLSC(ランタンストロンチウムコバルト酸化物)等の他の材料を含むとしてもよい。また、上記実施形態では、活性層220や中間層180がGDCを含むとしているが、活性層220や中間層180が、GDCに代えて、あるいはGDCに加えて、例えばSDC(サマリウムドープセリア)等の他の材料を含むとしてもよい。
Further, the material constituting each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be composed of another material. For example, in the above embodiment, the air electrode 114 (
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電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解単セルにも、本発明を適用することにより、空気極114における集電層210と活性層220との剥離を抑制することができる。
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 relates to an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, but is schematically the same as the
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 110A:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:中間層 210:集電層 214:粗大粒子 220:活性層 C:境界線 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス L:中間積層体 LC:仮想直線 M1:直線 M2:直線 OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス X1:領域 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 110A: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidating agent gas supply communication hole 133: Oxidating agent gas discharge communication hole 134: Air Polar side current collector 135: Current collector element 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collector 145: Electrode facing part 146: Inter Connector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 180: Intermediate layer 210: Collector layer 214: Coarse particles 220: Active layer C: Boundary line FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas L: Intermediate laminate LC: Virtual straight line M1: Straight line M2: Straight line OG: Oxidating agent gas OOG: Oxidation Agent off gas X1: region
Claims (6)
前記空気極は、第1の層と、第1の層に対して電解質層とは反対側に配置された第2の層と、を含んでおり、
前記空気極の前記第1の方向に略平行な少なくとも1つの断面において、
最大長さが、前記第1の層の平均粒径より大きく、かつ、前記第2の層の平均粒径より大きい粗大粒子であって、前記第1の層と前記第2の層とに跨がるように位置する粗大粒子が存在している、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In an electrochemical reaction single cell comprising an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer.
The air electrode includes a first layer and a second layer arranged on the opposite side of the first layer from the electrolyte layer.
In at least one cross section of the air electrode substantially parallel to the first direction.
Coarse particles having a maximum length larger than the average particle size of the first layer and larger than the average particle size of the second layer, straddling the first layer and the second layer. There are coarse particles that are located so that they are
It is characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記少なくとも1つの断面において、
前記第1の層および前記第2の層の少なくとも一方では、1つの前記粗大粒子は、複数個の他の粒子と接触している、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to claim 1, further
In the at least one cross section
At least one of the first layer and the second layer, one of the coarse particles is in contact with a plurality of other particles.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記少なくとも1つの断面において、
前記粗大粒子の最大長さは、2μm以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2.
In the at least one cross section
The maximum length of the coarse particles is 2 μm or more.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記少なくとも1つの断面において、
前記粗大粒子の最大長さは、4μm以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 3.
In the at least one cross section
The maximum length of the coarse particles is 4 μm or less.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記少なくとも1つの断面において、
前記第1の層と前記第2の層との境界線の100μm当たりの前記粗大粒子の存在個数は、1個以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4.
In the at least one cross section
The number of the coarse particles present per 100 μm of the boundary line between the first layer and the second layer is one or more.
It is characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction.
The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell.
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