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JP7104129B2 - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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JP7104129B2
JP7104129B2 JP2020202005A JP2020202005A JP7104129B2 JP 7104129 B2 JP7104129 B2 JP 7104129B2 JP 2020202005 A JP2020202005 A JP 2020202005A JP 2020202005 A JP2020202005 A JP 2020202005A JP 7104129 B2 JP7104129 B2 JP 7104129B2
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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 techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction single cells.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物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」という)が知られている。SOFCの最小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、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含む。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") having an electrolyte layer containing a solid oxide is known as one of the types of fuel cells that generate power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Has been done. The fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”), which is the minimum constituent unit of SOFC, faces each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. Includes air and fuel poles.

従来から、電解質層が燃料極の側面を覆うように配置された単セルが知られている(例えば特許文献1~3参照)。 Conventionally, a single cell in which an electrolyte layer is arranged so as to cover a side surface of a fuel electrode has been known (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

特開2017-174605号公報JP-A-2017-174605 特開2019-220461号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-220461 特開2016-157637号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-157637

単セルでは、電解質層と燃料極との熱膨張差に起因して電解質層と燃料極との剥離が生じることがある。電解質層が燃料極の側面を覆うように配置された従来の単セルであっても、電解質層と燃料極との境界には、両者の熱膨張差に起因する応力が生じるため、電解質層と燃料極との剥離を抑制することができない、という問題がある。 In a single cell, the electrolyte layer and the fuel electrode may be separated from each other due to the difference in thermal expansion between the electrolyte layer and the fuel electrode. Even in a conventional single cell in which the electrolyte layer is arranged so as to cover the side surface of the fuel electrode, stress is generated at the boundary between the electrolyte layer and the fuel electrode due to the difference in thermal expansion between the two. There is a problem that the separation from the fuel electrode cannot be suppressed.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解単セルに含まれる電解質層と燃料極にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルに含まれる電解質層と燃料極にも共通の課題である。 Such a problem is an electrolyte contained in an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. It is a common issue for layers and fuel poles. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell. Further, such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is a problem common to the electrolyte layer and the fuel electrode contained in other types of electrochemical reaction single cells.

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、前記電解質層と前記燃料極とを接合する溶接部を備え、前記溶接部は、前記第1の方向視で前記電解質層と前記燃料極との外周の少なくとも一部に位置し、前記電解質層と前記燃料極とに跨がるように形成されている。本電気化学反応単セルでは、溶接部が電解質層と燃料極とに跨がるように形成されている。この溶接部は、電解質層と燃料極とを接合するものであり、電解質層の熱膨張率と燃料極の熱膨張率との間の熱膨張率を有している。このため、溶接部は、電解質層と燃料極との熱膨張差を緩和する役割を果たす。これにより、本電気化学反応単セルによれば、電解質層と燃料極との剥離を抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is an electricity 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. In the chemical reaction single cell, a welded portion for joining the electrolyte layer and the fuel electrode is provided, and the welded portion is located at least a part of the outer periphery of the electrolyte layer and the fuel electrode in the first direction. However, it is formed so as to straddle the electrolyte layer and the fuel electrode. In this electrochemical reaction single cell, the welded portion is formed so as to straddle the electrolyte layer and the fuel electrode. This welded portion joins the electrolyte layer and the fuel electrode, and has a coefficient of thermal expansion between the coefficient of thermal expansion of the electrolyte layer and the coefficient of thermal expansion of the fuel electrode. Therefore, the welded portion plays a role of alleviating the difference in thermal expansion between the electrolyte layer and the fuel electrode. As a result, according to the present electrochemical reaction single cell, peeling between the electrolyte layer and the fuel electrode can be suppressed.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記溶接部を複数備え、前記複数の溶接部は、前記電解質層と前記燃料極との周方向に沿って互いに離間しつつ並ぶように配置されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、一の溶接部が剥がれたり損傷したりしても、その影響が他の溶接部に与えることが抑制される。このため、本電気化学反応単セルによれば、例えば1つの溶接部が電解質層及び燃料極の全周を囲む構成に比べて、溶接部の損傷等が広く影響を与えることを抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, a plurality of the welded portions are provided, and the plurality of welded portions are arranged so as to be separated from each other along the circumferential direction of the electrolyte layer and the fuel electrode. It may be configured. In this electrochemical reaction single cell, even if one weld is peeled off or damaged, the influence of the peeling or damage on the other weld is suppressed. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, for example, it is possible to suppress the influence of damage to the welded portion widely as compared with the configuration in which one welded portion surrounds the entire circumference of the electrolyte layer and the fuel electrode. can.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記溶接部は、前記第1の方向視で前記電解質層よりも外側に位置し、かつ、前記電解質層における前記燃料極とは反対側の表面に連なる突出部分を有している構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、溶接部が突出部分を有しない構成に比べて、電気化学反応スタックを組む際に電気化学反応単セルと他の部材との接合面積を広く確保することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the welded portion is located outside the electrolyte layer in the first directional view, and is continuous with the surface of the electrolyte layer opposite to the fuel electrode. It may be configured to have a protruding portion. In the present electrochemical reaction single cell, a wider joint area between the electrochemical reaction single cell and other members can be secured when assembling the electrochemical reaction stack, as compared with the configuration in which the welded portion does not have a protruding portion.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記溶接部と前記燃料極との境界線は、凹凸状である構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、溶接部と燃料極との境界線が直線状である構成に比べて、溶接部と燃料極との接触部分が長い分だけ溶接部の脱落を抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the boundary line between the welded portion and the fuel electrode may have an uneven shape in at least one cross section parallel to the first direction. In this electrochemical reaction single cell, the detachment of the welded portion can be suppressed by the length of the contact portion between the welded portion and the fuel electrode, as compared with the configuration in which the boundary line between the welded portion and the fuel electrode is linear. ..

(5)上記電気化学反応セルスタックにおいて、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(1)から(4)までのいずれか一つの電気化学反応単セルである構成としてもよい。これにより、電解質層と燃料極との剥離が抑制された電気化学反応セルスタックを提供することができる。 (5) In the electrochemical reaction cell stack, a plurality of electrochemical reaction single cells are provided, and at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electricity of any one of the above (1) to (4). It may be configured as a single cell for chemical reaction. Thereby, it is possible to provide an electrochemical reaction cell stack in which the separation between the electrolyte layer and the fuel electrode is suppressed.

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)、電気化学反応単セルを有する電気化学反応単位を複数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 an electrolytic single cell), and electricity having an electrochemical reaction single cell. It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) having a plurality of chemical reaction units, a method for producing them, and the like.

本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図A perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present embodiment. 図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of II-II of FIG. 図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of III-III of FIG. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the XZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図Explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 電解質層112と燃料極116との接合部分の構造を模式的に示す説明図Explanatory drawing schematically showing the structure of the joint portion between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

A.実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。なお、上下方向は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II of FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the positions III-III of FIG. Each figure shows XYZ axes that are orthogonal to each other to identify the direction. In the present specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as an upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as a downward direction, but the fuel cell stack 100 is actually in a direction different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIGS. 4 and later. The vertical direction is an example of the first direction in the claims.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of power generation units 102 (seven in this embodiment) and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below.

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

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

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

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

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

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、Z軸方向視で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 end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are flat plate-shaped conductive members that are substantially rectangular in the Z-axis direction, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is located above the power generation unit 102 located at the top, and the other end plate 106 is located below the power generation unit 102 located at the bottom. A plurality of power generation units 102 are sandwiched by a pair of end plates 104 and 106 in a pressed state. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

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

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

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

単セル110は、電解質層112と、電解質層112に対して上側に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112に対して下側に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116によって単セル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 single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 arranged above the electrolyte layer 112, a fuel electrode (anode) 116 arranged below the electrolyte layer 112, and an electrolyte. An intermediate layer 180 arranged between the layer 112 and the air electrode 114 is provided. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel pole support type single cell that supports other layers (electrolyte layer 112, air pole 114, intermediate layer 180) constituting the single cell 110 by the fuel pole 116.

電解質層112は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な(気孔率が低い)層である。電解質層112は、固体酸化物(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)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア))を含んでいる。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。 The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member that is substantially rectangular in the Z-axis direction, and is a dense layer (with a low porosity). The electrolyte layer 112 contains solid oxides (eg, YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), CSZ (calcia-stabilized zirconia)). As described above, the single cell 110 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

空気極114は、Z軸方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、気孔率が電解質層112の気孔率よりも高い多孔質な層である。空気極114は、ABOで表されるペロブスカイト型酸化物(例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物(LSCF)、ランタンストロンチウム鉄酸化物(LSF)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LSC)、ランタンストロンチウムマンガン酸化物(LSM)、ランタンニッケル鉄酸化物(LNF)等)を含有している。 The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and is a porous layer having a porosity higher than that of the electrolyte layer 112. The air electrode 114 is a perovskite-type oxide represented by ABO 3 (for example, lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), lanthanum strontium iron oxide (LSF), lanthanum strontium cobalt oxide (LSC), lanthanum strontium manganese oxidation. (LSM), lanthanum nickel iron oxide (LNF), etc.) are contained.

燃料極116は、Z軸方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、気孔率が電解質層112の気孔率よりも高い多孔質な層である。なお図示しないが、本実施形態では、燃料極116は、燃料極116における下方側の表面を構成する基板層と、基板層と電解質層112との間に位置する機能層とを備える。燃料極116の機能層は、主として、電解質層112から供給される酸素イオンと燃料ガスFGに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層であり、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオンイオン伝導性酸化物(例えば、YSZ)とを含んでいる。また、燃料極116の基板層は、主として、機能層と電解質層112と空気極114とを支持する機能を発揮する層であり、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオン伝導性酸化物(例えば、YSZ)とを含んでいる。 The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and is a porous layer having a porosity higher than that of the electrolyte layer 112. Although not shown, in the present embodiment, the fuel electrode 116 includes a substrate layer constituting the lower surface of the fuel electrode 116, and a functional layer located between the substrate layer and the electrolyte layer 112. The functional layer of the fuel electrode 116 is a layer that mainly exerts a function of reacting oxygen ions supplied from the electrolyte layer 112 with hydrogen or the like contained in the fuel gas FG to generate electrons and water vapor, and exhibits electrons. It contains Ni, which is a conductive substance, and an oxygen ion ion conductive oxide (for example, YSZ). Further, the substrate layer of the fuel electrode 116 is a layer that mainly exerts a function of supporting the functional layer, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114, and Ni, which is an electron conductive substance, and an oxygen ion conductive oxide ( For example, YSZ) and is included.

中間層180は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材である。中間層180は、例えば、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、LDC(ランタンドープセリア)、YDC(イットリウムドープセリア)等のイオン伝導性を有する固体酸化物により形成されている。 The intermediate layer 180 is a flat plate-shaped member that is substantially rectangular in the Z-axis direction. The intermediate layer 180 is formed of, for example, a solid oxide having ionic conductivity such as SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), LDC (lanthanum-doped ceria), and YDC (yttrium-doped ceria).

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 separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, metal. The peripheral portion of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral edge of the surface of the electrolyte layer 112 on the side of the air electrode 114. The separator 120 is joined to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a joining portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag wax) arranged at the opposite portion thereof. The separator 120 partitions the air chamber 166 facing the air pole 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel pole 116, and a gas leak from one electrode side to the other electrode side at the peripheral edge of the single cell 110. It is suppressed.

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

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

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

空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、Crを含む材料、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。空気極114と空気極側集電体134との間に、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として構成されてもよい。 The air electrode side current collector 134 is arranged in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135, and is made of a material containing Cr, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 on the side facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 has an upper end plate. It is in contact with 104. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected to each other. A conductive bonding layer for bonding the air electrode 114 and the current collector 134 on the air electrode side may be interposed. The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be configured as an integral member.

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

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

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

A-3.電解質層112と燃料極116とを接合するための詳細構成:
次に、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する単セル110における電解質層112と燃料極116とを接合するための詳細構成について説明する。図4には、電解質層112と燃料極116との接合部分(X1)が拡大して示されている。図6は、電解質層112と燃料極116との接合部分の構造を模式的に示す説明図である。図6では、空気極114等が省略されている。なお、図6は、電解質層112と燃料極116との接合部分について、上下方向に平行な断面が写ったSEM(加速電圧 15kV)におけるSEM画像(例えば90倍)を模式的に示したものである。
A-3. Detailed configuration for joining the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116:
Next, a detailed configuration for joining the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in the single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment will be described. FIG. 4 shows an enlarged joint portion (X1) between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing the structure of the joint portion between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. In FIG. 6, the air electrode 114 and the like are omitted. Note that FIG. 6 schematically shows an SEM image (for example, 90 times) of the joint portion between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in an SEM (acceleration voltage 15 kV) showing a cross section parallel to the vertical direction. be.

図4および図6に示すように、単セル110は、電解質層112と燃料極116とを接合する溶接部200を備える。溶接部200は、溶融溶接法により、電解質層の形成材料(例えばYSZ)と燃料極の形成材料(例えばNi)とが溶融して凝固したもの((Y,Zr,Ni)O(xは電荷中性条件により決定))である。なお、溶接部200の特定方法は次の通りである。電解質層112と燃料極116との接合部分の断面について、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)に付属されたエネルギー分散型X線分光器(EDS)を用いて元素分析することにより、溶接部200の元素の種類を確認する。次に、その確認結果に基づく溶接部200の組成比から、電解質層112と燃料極116とが溶融して凝固したものであることを特定することができる。 As shown in FIGS. 4 and 6, the single cell 110 includes a welded portion 200 that joins the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. The welded portion 200 is formed by melting and solidifying an electrolyte layer forming material (for example, YSZ) and a fuel electrode forming material (for example, Ni) by a melt welding method ((Y, Zr, Ni) Ox ( x ). Determined by charge neutral condition)). The method for specifying the welded portion 200 is as follows. Elemental analysis of the cross section of the junction between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 using an energy dispersive X-ray spectroscope (EDS) attached to a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). By doing so, the type of element of the welded portion 200 is confirmed. Next, from the composition ratio of the welded portion 200 based on the confirmation result, it can be specified that the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 are melted and solidified.

溶接部200は、上下方向視で電解質層112と燃料極116との外周の少なくとも一部に位置する。溶接部200は、上下方向において電解質層112と燃料極116とに跨がるように形成されている。換言すれば、溶接部200は、電解質層112の側面と燃料極116の側面との両方に接触するように配置されている。より具体的には、溶接部200は、電解質層112の側面と、燃料極116の側面と、電解質層112と燃料極116との境界と、を連続的に接触しかつ覆うように配置されている。 The welded portion 200 is located at least a part of the outer circumference between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in the vertical direction. The welded portion 200 is formed so as to straddle the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in the vertical direction. In other words, the welded portion 200 is arranged so as to be in contact with both the side surface of the electrolyte layer 112 and the side surface of the fuel electrode 116. More specifically, the welded portion 200 is arranged so as to continuously contact and cover the side surface of the electrolyte layer 112, the side surface of the fuel pole 116, and the boundary between the electrolyte layer 112 and the fuel pole 116. There is.

溶接部200の厚さD(図4参照)は、例えば10μm以上である。また、溶接部200の厚さDは、例えば30μm以下である。溶接部200の上下方向(Z軸方向)の長さL(図4参照)は、例えば30μm以上である。溶接部200の上下方向の長さLは、例えば80μm以下である。なお、本実施形態では、電解質層112の上下方向の厚さは、10μm以下であり、燃料極116の機能層の上下方向の厚さは20μm以下であり、燃料極116の基板層の上下方向の厚さは1000μm以下である。 The thickness D of the welded portion 200 (see FIG. 4) is, for example, 10 μm or more. The thickness D of the welded portion 200 is, for example, 30 μm or less. The length L (see FIG. 4) of the welded portion 200 in the vertical direction (Z-axis direction) is, for example, 30 μm or more. The vertical length L of the welded portion 200 is, for example, 80 μm or less. In the present embodiment, the vertical thickness of the electrolyte layer 112 is 10 μm or less, the vertical thickness of the functional layer of the fuel pole 116 is 20 μm or less, and the vertical thickness of the substrate layer of the fuel pole 116 is vertical. The thickness of is 1000 μm or less.

本実施形態では、単セル110は、複数の溶接部200を備えている。図6に示すように、複数の溶接部200は、上下方向視において電解質層112と燃料極116との周方向に沿って互いに離間しつつ並ぶように配置されている。各溶接部200の上記周方向の幅Wは、例えば50μm以上である。互いに隣に位置する溶接部200同士の上記周方向の離間距離Hは、溶接部200の幅Wより短い。溶接部200は、電解質層112と燃料極116との全周にわたって配置されている。 In this embodiment, the single cell 110 includes a plurality of welded portions 200. As shown in FIG. 6, the plurality of welded portions 200 are arranged so as to be separated from each other along the circumferential direction of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in the vertical view. The width W of each welded portion 200 in the circumferential direction is, for example, 50 μm or more. The distance H between the welded portions 200 located adjacent to each other in the circumferential direction is shorter than the width W of the welded portions 200. The welded portion 200 is arranged over the entire circumference of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

複数の溶接部200の少なくとも1つは、突出部分210を有している。突出部分210は、上下方向視で電解質層112よりも外側に位置し、かつ、電解質層112における燃料極116とは反対側の表面(上面)に連なっている。換言すれば、突出部分210の上面と電解質層112の上面とが面一になっている(図4参照)。本実施形態では、セパレータ120と電解質層112との接合部124の下面が、電解質層112に接触するとともに、電解質層112より外側まで伸びており、突出部分210の上面に接触している。なお、単セル110に備えられた複数の溶接部200の内、50%以上の数の溶接部200が突出部分210を有してよいし、80%以上の数の溶接部200が突出部分210を有してよい。 At least one of the plurality of welds 200 has a protruding portion 210. The protruding portion 210 is located outside the electrolyte layer 112 in the vertical direction, and is connected to the surface (upper surface) of the electrolyte layer 112 opposite to the fuel electrode 116. In other words, the upper surface of the protruding portion 210 and the upper surface of the electrolyte layer 112 are flush with each other (see FIG. 4). In the present embodiment, the lower surface of the joint portion 124 between the separator 120 and the electrolyte layer 112 is in contact with the electrolyte layer 112 and extends to the outside of the electrolyte layer 112, and is in contact with the upper surface of the protruding portion 210. Of the plurality of welded portions 200 provided in the single cell 110, 50% or more of the welded portions 200 may have the protruding portions 210, and 80% or more of the welded portions 200 may have the protruding portions 210. May have.

図6に示すように、上下方向に平行な少なくとも1つの断面において、溶接部200と燃料極116との境界線Bは、凹凸状である。具体的には、1つの溶接部200と燃料極116との境界線Bは、複数組の凹凸状を有している。 As shown in FIG. 6, the boundary line B between the welded portion 200 and the fuel pole 116 is uneven in at least one cross section parallel to the vertical direction. Specifically, the boundary line B between one welded portion 200 and the fuel electrode 116 has a plurality of sets of uneven shapes.

なお、図4および図6に示すように、燃料極116の側面における下側(電解質層112とは反対側)の部分は、溶接部200に覆われていない。このため、燃料極116の側面の全体が溶接部200に覆われた構成に比べて、溶接部200の存在に起因する燃料極116内への燃料ガスFGの拡散の低下を抑制することができる。また、溶接部200は、電解質層112の側面の上端(燃料極116とは反対側の端)まで伸びている。このため、比較的に薄い電解質層112に対して溶接部200が引っかかるように強固に接合される。また、溶接部200は、電解質層112との接合部分の厚さDに対して、燃料極116との接合部分の厚さDが薄くなっている。これにより、比較的に薄い電解質層112に対する接合強度を確保しつつ、燃料極116側では邪魔にならないように薄くして燃料極116内への燃料ガスFGの拡散の低下を抑制することができる。 As shown in FIGS. 4 and 6, the lower portion (the side opposite to the electrolyte layer 112) on the side surface of the fuel electrode 116 is not covered by the welded portion 200. Therefore, as compared with the configuration in which the entire side surface of the fuel electrode 116 is covered with the welded portion 200, it is possible to suppress a decrease in the diffusion of the fuel gas FG into the fuel electrode 116 due to the presence of the welded portion 200. .. Further, the welded portion 200 extends to the upper end of the side surface of the electrolyte layer 112 (the end opposite to the fuel electrode 116). Therefore, the welded portion 200 is firmly joined to the relatively thin electrolyte layer 112 so as to be caught. Further, in the welded portion 200, the thickness D of the joint portion with the fuel electrode 116 is thinner than the thickness D of the joint portion with the electrolyte layer 112. As a result, while ensuring the bonding strength with respect to the relatively thin electrolyte layer 112, it is possible to suppress the decrease in the diffusion of the fuel gas FG into the fuel electrode 116 by making it thin so as not to interfere with the fuel electrode 116 side. ..

A-4.燃料電池スタック100の製造方法:
本実施形態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。
A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
The method for manufacturing the fuel cell stack 100 of the present embodiment is as follows, for example.

(電解質層112と燃料極116との積層体の形成)
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるフタル酸ジオクチル(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、所定の厚さ(例えば約6μm)の電解質層用グリーンシートを得る。また、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば約400μm)の燃料極基板層用グリーンシートを得る。また、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば約11μm)の燃料極機能層用グリーンシートを得る。各グリーンシートを貼り付け、所定の温度(例えば約280℃)で脱脂した後、所定の温度(例えば約1350℃)で所定の時間(例えば約1時間)焼成を行う。これにより、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
(Formation of a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116)
To the YSZ powder, a butyral resin, a plasticizer dioctyl phthalate (DOP), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to obtain a green sheet for an electrolyte layer having a predetermined thickness (for example, about 6 μm). Further, to the mixed powder of NiO powder and YSZ powder, organic beads which are pore-forming materials, butyral resin, DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added. Mix in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to obtain a green sheet for a fuel electrode substrate layer having a predetermined thickness (for example, about 400 μm). Further, to the mixed powder of NiO powder and YSZ powder, butyral resin, DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed by a ball mill to prepare a slurry. Prepare. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to obtain a green sheet for a fuel electrode functional layer having a predetermined thickness (for example, about 11 μm). After sticking each green sheet and degreasing at a predetermined temperature (for example, about 280 ° C.), firing is performed at a predetermined temperature (for example, about 1350 ° C.) for a predetermined time (for example, about 1 hour). As a result, a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 is obtained.

次に、電解質層112と燃料極116との積層体に対して上述の溶接部200を形成する。例えば、積層体の上下方向視で周縁部に対してレーザ加工を施して、積層体の周縁部を溶融させながら切断する。レーザ加工には、例えば、COレーザ、YAGレーザ、ファイバレーザ等の周知のレーザを用いることができる。なお、レーザ加工後に溶融した部分の一部を剥がして溶接部200を形成してもよい。 Next, the above-mentioned welded portion 200 is formed on the laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. For example, the peripheral edge portion of the laminated body is subjected to laser processing in the vertical direction, and the peripheral edge portion of the laminated body is cut while being melted. For laser processing, for example, a well-known laser such as a CO 2 laser, a YAG laser, or a fiber laser can be used. The welded portion 200 may be formed by peeling off a part of the melted portion after the laser processing.

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

(空気極114の形成)
ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF)の粉末と硫酸塩(例えばSrSO)の粉末との混合粉末を準備し、該混合粉末に対し、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、粘度を調整することにより、空気極用ペーストを調製する。得られた空気極用ペーストを、上述した中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体における中間層180の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させ、空気極用ペーストが塗布された積層体を所定の温度(例えば約1100℃)で焼成する。これにより、空気極114が形成され、燃料極116と電解質層112と中間層180と空気極114とを備える単セル110が作製される。
(Formation of air pole 114)
A mixed powder of a perovskite-type oxide (for example, LSCF) powder and a sulfate (for example, SrSO 4 ) powder is prepared, and the mixed powder is prepared with polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent. To prepare a paste for air electrode by adding and mixing to adjust the viscosity. The obtained air electrode paste is applied to the surface of the intermediate layer 180 in the above-mentioned laminate of the intermediate layer 180, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 by, for example, screen printing and dried, and the air electrode paste is applied. The laminated body is fired at a predetermined temperature (for example, about 1100 ° C.). As a result, the air electrode 114 is formed, and a single cell 110 including the fuel electrode 116, the electrolyte layer 112, the intermediate layer 180, and the air electrode 114 is produced.

上述した方法に従い複数の単セル110を作製した後、組み立て工程(例えば、各単セル110にセパレータ120等の他の部材を取り付ける工程、複数の単セル110を積層する工程、ボルト22により締結する工程等)を行う。以上により、燃料電池スタック100の製造が完了する。 After producing a plurality of single cells 110 according to the method described above, an assembly step (for example, a step of attaching another member such as a separator 120 to each single cell 110, a step of laminating the plurality of single cells 110, and fastening with bolts 22). Process, etc.). As described above, the production of the fuel cell stack 100 is completed.

A-5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで互いに対向する空気極114および燃料極116とを備える。単セル110は、電解質層112と燃料極116とを接合する溶接部200を備える。溶接部200は、溶融溶接法により、電解質層の形成材料と燃料極の形成材料とが溶融して凝固したものである。溶接部200は、上下方向視で電解質層112と燃料極116との外周の少なくとも一部に位置する。溶接部200は、電解質層112と燃料極116とに跨がるように形成されている。
A-5. Effect of this embodiment:
As described above, the single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes an electrolyte layer 112, and air poles 114 and fuel poles 116 facing each other with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 includes a welded portion 200 that joins the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. The welded portion 200 is formed by melting and solidifying the material for forming the electrolyte layer and the material for forming the fuel electrode by the melt welding method. The welded portion 200 is located at least a part of the outer circumference between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in the vertical direction. The welded portion 200 is formed so as to straddle the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

このように、本実施形態では、溶接部200が電解質層112と燃料極116とに跨がるように形成されている。この溶接部200は、電解質層112と燃料極116とを溶融して形成されたものであり、電解質層112と燃料極116との中間的な組成(性質)を有している。具体的には、溶接部200は、電解質層112の熱膨張率と燃料極116の熱膨張率との間の熱膨張率を有している。このため、溶接部200は、電解質層112と燃料極116との熱膨張差を緩和する役割を果たす。これにより、本実施形態によれば、電解質層112と燃料極116との剥離(例えば界面剥離や層内剥離)を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, the welded portion 200 is formed so as to straddle the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. The welded portion 200 is formed by melting the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, and has an intermediate composition (property) between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. Specifically, the welded portion 200 has a coefficient of thermal expansion between the coefficient of thermal expansion of the electrolyte layer 112 and the coefficient of thermal expansion of the fuel electrode 116. Therefore, the welded portion 200 plays a role of alleviating the difference in thermal expansion between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. As a result, according to the present embodiment, peeling between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 (for example, interfacial peeling or intra-layer peeling) can be suppressed.

本実施形態では、複数の溶接部200が、電解質層112と燃料極116との周方向に沿って互いに離間しつつ並ぶように配置されている。このため、本実施形態では、一の溶接部200が剥がれたり損傷したりしても、その影響が他の溶接部200に進展することが抑制される。このため、本実施形態によれば、例えば1つの溶接部200が電解質層112及び燃料極116の全周を囲む構成に比べて、溶接部200の損傷等が広く影響を与えることを抑制することができる。また、溶接部200の存在に起因する燃料極116内への燃料ガスFGの拡散の低下を抑制することができる。 In the present embodiment, the plurality of welded portions 200 are arranged so as to be arranged so as to be separated from each other along the circumferential direction of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. Therefore, in the present embodiment, even if one welded portion 200 is peeled off or damaged, its influence is suppressed from extending to the other welded portion 200. Therefore, according to the present embodiment, for example, as compared with the configuration in which one welded portion 200 surrounds the entire circumference of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, it is possible to prevent damage to the welded portion 200 from being widely affected. Can be done. Further, it is possible to suppress a decrease in the diffusion of the fuel gas FG into the fuel electrode 116 due to the presence of the welded portion 200.

本実施形態では、溶接部200は、突出部分210を有している。突出部分210は、上下方向視で電解質層112よりも外側に位置し、かつ、電解質層112における燃料極116とは反対側の表面(上面)に連なっている。このため、本実施形態によれば、いずれの溶接部200も突出部分210を有しない構成に比べて、燃料電池スタック100を組む際に単セル110と他の部材との接合面積を広く確保することができる。具体的には、図4に示すように、電解質層112だけでなく、溶接部200の突出部分210まで接合部124を配置することができる。このため、例えば接合部124と単セル110(210を含む)との接合面積を広くすることにより、接合強度を向上させることができる。また、接合部124を電解質層112の外側にはみ出すように配置することにより、接合部124の内周側の領域が広くなるため、単セル110における発電領域を広く確保することができる。 In this embodiment, the welded portion 200 has a protruding portion 210. The protruding portion 210 is located outside the electrolyte layer 112 in the vertical direction, and is connected to the surface (upper surface) of the electrolyte layer 112 opposite to the fuel electrode 116. Therefore, according to the present embodiment, a wider joint area between the single cell 110 and other members is secured when assembling the fuel cell stack 100, as compared with the configuration in which none of the welded portions 200 has the protruding portion 210. be able to. Specifically, as shown in FIG. 4, the joint portion 124 can be arranged not only to the electrolyte layer 112 but also to the protruding portion 210 of the welded portion 200. Therefore, for example, the joining strength can be improved by increasing the joining area between the joining portion 124 and the single cell 110 (including 210). Further, by arranging the joint portion 124 so as to protrude to the outside of the electrolyte layer 112, the region on the inner peripheral side of the joint portion 124 becomes wider, so that a wide power generation region in the single cell 110 can be secured.

本実施形態では、上下方向に平行な少なくとも1つの断面において、溶接部200と燃料極116との境界線Bは、凹凸状である。このため、本実施形態によれば、溶接部200と燃料極116との境界線Bが直線状である構成に比べて、溶接部200と燃料極116との接触部分が長い分だけ溶接部200の脱落を抑制することができる。 In the present embodiment, the boundary line B between the welded portion 200 and the fuel electrode 116 is uneven in at least one cross section parallel to the vertical direction. Therefore, according to the present embodiment, the welded portion 200 is longer in contact with the welded portion 200 and the fuel electrode 116 than in the configuration in which the boundary line B between the welded portion 200 and the fuel pole 116 is linear. Can be suppressed from falling off.

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. 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、単セル110が中間層180を含んでいるが、単セル110が中間層180を含んでいなくてもよい。また、上記実施形態では、燃料極116が基板層と機能層との2層構成であるとしているが、燃料極116が単層構成であってもよいし、3層以上の構成であってもよい。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。 The configuration of the single cell 110 or the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the single cell 110 includes the intermediate layer 180, but the single cell 110 may not include the intermediate layer 180. Further, in the above embodiment, the fuel pole 116 has a two-layer structure of a substrate layer and a functional layer, but the fuel pole 116 may have a single-layer structure or a three-layer or more structure. good. Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is only an example, and the number of single cells 110 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100.

また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各連通孔108とは別に設けてもよい。 Further, in the above embodiment, the space between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108 is used as each manifold, but instead of this, the shaft of each bolt 22 is used. Axial holes may be formed in the portion, and the holes may be used as each manifold. Further, each manifold may be provided separately from each communication hole 108 into which each bolt 22 is inserted.

上記実施形態において、単セル110が溶接部200を1つ備える構成でもよい。また、溶接部200は、突出部分210を備えない構成でもよい。溶接部200と燃料極116との境界線Bは、円弧状でもよい。 In the above embodiment, the single cell 110 may include one welded portion 200. Further, the welded portion 200 may be configured not to include the protruding portion 210. The boundary line B between the welded portion 200 and the fuel electrode 116 may be arcuate.

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。上記実施形態では、溶接部として、電解質層の形成材料としてのYSZと燃料極の形成材料としてのNiとが溶融して凝固した(Y,Zr,Ni)O(xは電荷中性条件により決定)を例示したが、これ以外に例えば、電解質層の形成材料と燃料極の形成材料との化合物や複合材料により構成されていてもよい。 Further, the material constituting each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be composed of another material. In the above embodiment, as a welded portion, YSZ as a material for forming an electrolyte layer and Ni as a material for forming a fuel electrode are melted and solidified (Y, Zr, Ni) Ox ( x is a charge neutral condition. The determination) has been illustrated, but in addition to this, for example, it may be composed of a compound or a composite material of the material for forming the electrolyte layer and the material for forming the fuel electrode.

また、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック100に含まれるすべての単セル110について、溶接部200を備える構成が実現されている必要は無く、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの単セル110について、溶接部200を備える構成が実現されていれば、電解質層112と燃料極116との剥離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, it is not always necessary that all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100 have a configuration including the welded portion 200, and at least one single cell 110 included in the fuel cell stack 100 is not realized. With respect to the above, if the configuration including the welded portion 200 is realized, it is possible to suppress the peeling of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

また、上記実施形態では、平板形の単セル110を対象としているが、本明細書に開示される技術は、平板形以外の他の単セルにも同様に適用可能である。 Further, although the above embodiment targets the flat plate type single cell 110, the technique disclosed in the present specification can be similarly applied to other single cells other than the flat plate type.

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、本明細書に開示される技術は、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の溶接部200を備える構成を採用すれば、同様の効果を奏する。 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 technique disclosed in the present specification is: It can also be applied to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water, and an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic single cells. be. 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 fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is a configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic cell. However, during the operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and the voltage is applied through the communication hole 108. Water vapor as a raw material gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolytic cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out to the outside of the electrolytic cell stack through the communication hole 108. Even in the electrolytic cell and the electrolytic cell stack having such a configuration, the same effect can be obtained by adopting a configuration having the same welded portion 200 as in the above embodiment.

上記実施形態における燃料電池スタック100の製造方法は、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、溶接部200を形成するためにレーザ加工を採用したが、これに限らず、他の溶融溶接法(例えば放電加工)を採用してもよい。 The method for manufacturing the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. For example, in the above embodiment, laser processing is adopted to form the welded portion 200, but the present invention is not limited to this, and other melt welding methods (for example, electric discharge machining) may be adopted.

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 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121,131,141:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 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 200:溶接部 210:突出部分 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 112: Electrolyte layer 114: Air pole 116: Fuel pole 120: Separator 121, 131, 141: Hole 124: Joint 130: Air pole side frame 132: Oxidizing agent gas supply communication hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air pole side collection Electric body 135: Current collector element 140: Fuel pole side frame 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collector 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 180: Intermediate layer 200: Welded part 210: Protruding part

Claims (5)

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、
前記電解質層と前記燃料極とを接合する溶接部を備え、
前記溶接部は、前記第1の方向視で前記電解質層と前記燃料極との外周の少なくとも一部に位置し、前記電解質層と前記燃料極とに跨がるように形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
In an electrochemical reaction single cell including 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.
A welded portion for joining the electrolyte layer and the fuel electrode is provided.
The welded portion is located at least a part of the outer circumference of the electrolyte layer and the fuel electrode in the first direction, and is formed so as to straddle the electrolyte layer and the fuel electrode.
An electrochemical reaction single cell characterized by that.
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記溶接部を複数備え、
前記複数の溶接部は、前記電解質層と前記燃料極との周方向に沿って互いに離間しつつ並ぶように配置されている、
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,
A plurality of the welded parts are provided.
The plurality of welded portions are arranged so as to be arranged so as to be separated from each other along the circumferential direction of the electrolyte layer and the fuel electrode.
An electrochemical reaction single cell characterized by that.
請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記溶接部は、前記第1の方向視で前記電解質層よりも外側に位置し、かつ、前記電解質層における前記燃料極とは反対側の表面に連なる突出部分を有している、
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 or 2.
The welded portion is located outside the electrolyte layer in the first directional view, and has a protruding portion connected to the surface of the electrolyte layer opposite to the fuel electrode.
An electrochemical reaction single cell characterized by that.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記溶接部と前記燃料極との境界線は、凹凸状である、
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 at least one cross section parallel to the first direction, the boundary line between the welded portion and the fuel electrode is uneven.
An electrochemical reaction single cell characterized by that.
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において、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
In an electrochemical reaction cell stack having multiple electrochemical reaction single cells,
At least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4.
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
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