JP6754249B2 - 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 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含む。空気極は、例えば、ペロブスカイト型酸化物を含む。また、燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス(例えば、イットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」という))とを含有する機能層を有する(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 fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The 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. Includes air and fuel electrodes facing each other. The air electrode includes, for example, a perovskite-type oxide. Further, the fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics (for example, yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as “YSZ”)) (see, for example, Patent Document 1).
一般に、SOFCの運転時には、燃料極の機能層の内、燃料極側に供給されるガス(水素を含むガス)の上記第1の方向に直交する流れ方向の下流側の領域において、水蒸気分圧(燃料ガス中の水蒸気の割合)が高くなる。これは、単セルにおける反応により燃料極側で発生する水(水蒸気)が、ガス流れによって上記下流側の領域に運ばれるからである。燃料極の機能層のある領域において水蒸気分圧が高くなると、機能層の該領域に含まれるNiの微構造変化(凝集)が促進される。機能層に含まれるNiの微構造変化は、三相界面の減少を引き起こし、単セルの性能劣化の原因となる。従来の単セルの構成では、このような運転に伴う性能劣化が発生しやすいという課題がある。 Generally, during the operation of SOFC, the partial pressure of water vapor is divided in the region on the downstream side of the functional layer of the fuel electrode in the flow direction orthogonal to the first direction of the gas (gas containing hydrogen) supplied to the fuel electrode side. (Ratio of water vapor in fuel gas) becomes high. This is because the water (water vapor) generated on the fuel electrode side due to the reaction in the single cell is carried to the downstream region by the gas flow. When the partial pressure of water vapor increases in a region of the functional layer of the fuel electrode, the microstructural change (aggregation) of Ni contained in the region of the functional layer is promoted. The change in the microstructure of Ni contained in the functional layer causes a decrease in the three-phase interface and causes deterioration in the performance of the single cell. The conventional single-cell configuration has a problem that performance deterioration due to such operation is likely to occur.
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も共通の課題である。SOECの運転時には、燃料極側に供給されるガスとしての水蒸気が、ガス流れ方向に進みつつ単セルにおける反応に供されるため、燃料極の機能層の内、ガス流れ方向の上流側の領域において水蒸気分圧が高くなる。そのため、SOECにおいても、SOFCと同様に、機能層における特定の領域において水蒸気分圧が高くなることによって機能層に含まれるNiの微構造変化が促進され、単セルの性能劣化が発生しやすいという課題がある。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。 It should be noted that such a problem is also common to the electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. Is. During the operation of the SOEC, water vapor as a gas supplied to the fuel electrode side is subjected to the reaction in a single cell while advancing in the gas flow direction, so that the region on the upstream side in the gas flow direction in the functional layer of the fuel electrode. The partial pressure of water vapor becomes high. Therefore, in SOEC as well, as in SOFC, the microstructural change of Ni contained in the functional layer is promoted by increasing the partial pressure of water vapor in a specific region of the functional layer, and the performance of a single cell is likely to deteriorate. There are challenges. In this 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 technique disclosed in the present specification 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、備える電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する。本電気化学反応単セルによれば、機能層における燃料極側に供給されるガスの流れ方向の一方の側の領域におけるNi含有率Cf2(wt%)がガス流れ方向の他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低くされているため、この領域が運転中に水蒸気分圧が高くなりやすい側の領域になるように構成することにより、水蒸気分圧の上昇に伴うNiの微構造変化の発生量を低減することができ、電気化学反応単セルの性能劣化を抑制することができる。また、本電気化学反応単セルによれば、機能層における燃料極側に供給されるガスの流れ方向の他方の側の領域におけるNi含有率Cf2(wt%)が比較的高くされているため、この領域が水蒸気分圧が高くなりにくい側の領域になるように構成することにより、機能層全体としてのNiの含有率をある程度確保することができ、電気化学反応単セルの初期性能低下を抑制することができる。従って、本電気化学反応単セルによれば、初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う性能劣化を抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is electrochemically provided with an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer. In the reaction single cell, the fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and is orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side in the functional layer. The Ni content Cf2 (wt%) in the region on one side of the gas flow direction is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the region on the other side in the gas flow direction. According to this electrochemical reaction single cell, the Ni content Cf2 (wt%) in the region on one side of the gas flow direction supplied to the fuel electrode side in the functional layer is the region on the other side in the gas flow direction. Since the Ni content is lower than Cf1 (wt%), by configuring this region to be the region on the side where the partial pressure of water vapor tends to increase during operation, the amount of Ni that accompanies the increase in the partial pressure of water vapor The amount of structural change generated can be reduced, and the deterioration of the performance of the electrochemical reaction single cell can be suppressed. Further, according to this electrochemical reaction single cell, the Ni content Cf2 (wt%) in the region on the other side of the flow direction of the gas supplied to the fuel electrode side in the functional layer is relatively high. By configuring this region to be the region on the side where the partial pressure of water vapor is unlikely to increase, the Ni content of the functional layer as a whole can be secured to some extent, and the deterioration of the initial performance of the electrochemical reaction single cell is suppressed. can do. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress the deterioration of the performance due to the operation while suppressing the deterioration of the initial performance.
(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記機能層における前記一方の側の領域のNi含有率Cf2に対する前記他方の側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851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、機能層全体としてのNiの含有率を一定以上確保することができ、初期性能の低下を効果的に抑制しつつ、運転に伴う性能劣化を抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, the ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the other side region to the Ni content Cf2 of the one side region in the functional layer is larger than 1. The configuration may be 1.851 or less. According to this electrochemical reaction single cell, the Ni content of the functional layer as a whole can be secured above a certain level, and the deterioration of the initial performance can be effectively suppressed while the performance deterioration due to the operation can be suppressed. it can.
(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記一方の側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記他方の側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、水蒸気分圧が機能層に比べ高くなりにくい基板層において、ガス流れ方向の上記一方の側の領域のNi含有率を高くすることにより、Niの微構造変化による性能劣化を抑制しつつ、燃料極の上記一方側の領域におけるNi含有率と、燃料極の上記他方側の領域におけるNi含有率との差を小さくすることができ、電流集中を原因とする電気化学反応単セルの破損を抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the fuel electrode is further arranged on the opposite side of the functional layer from the electrolyte layer, and has a substrate layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics. In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) of the region on one side in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the region on the other side in the gas flow direction. It may be a configuration characterized by this. According to this electrochemical reaction single cell, in the substrate layer in which the partial pressure of water vapor is less likely to be higher than that of the functional layer, the microstructural change of Ni is performed by increasing the Ni content in the region on one side of the gas flow direction. It is possible to reduce the difference between the Ni content in the region on one side of the fuel electrode and the Ni content in the region on the other side of the fuel electrode while suppressing performance deterioration due to the above, which causes current concentration. Electrochemical reaction It is possible to suppress damage to 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 an 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 producing them, and the like.
A.実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(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 direction 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。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY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
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を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、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)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。燃料極116の構成については、後に詳述する。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
図6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
As shown in FIG. 6, the air
図7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
As shown in FIG. 7, the fuel
図6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレス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、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、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。
As shown in FIG. 6, the air electrode side
図7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、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。
As shown in FIG. 7, the fuel electrode side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2、図4および図6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、図5および図7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, 4 and 6, the oxidant gas is passed through 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に含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素と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、図4および図6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、図5および図7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。
The oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.燃料極116の詳細構成:
図8は、燃料極116の詳細構成を模式的に示すYZ断面図である。図8に示すように、燃料極116は、機能層350と、機能層350の電解質層112側とは反対側に配置された基板層360とを備える。本実施形態では、機能層350は、電解質層112に隣接して配置されており、基板層360は、機能層350に隣接して配置されている。機能層350と基板層360とは、いずれも、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)とを含むサーメットにより形成されている。
A-3. Detailed configuration of fuel pole 116:
FIG. 8 is a YZ cross-sectional view schematically showing the detailed configuration of the
機能層350は、主として、電解質層112から供給される酸化物イオンと燃料ガスFGに含まれる水素とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層である。また、基板層360は、主として、機能層350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る。なお、基板層360の強度を高めるため、基板層360のZ方向における厚さは、機能層350のZ方向における厚さより厚いことが好ましい。また、基板層360のガス拡散性を高めるため、基板層360の気孔率は、機能層350の気孔率より高いことが好ましい。
The
図8において、Z方向に直交する方向(以下、「面方向」という)における燃料ガスFGの流れ方向は、右から左に向かう方向である。なお、この燃料ガスFGの流れ方向は、図7に示すように、燃料極側フレーム140に形成された燃料ガス供給連通孔142から燃料ガス排出連通孔143に向かう方向(図7の例では上から下に向かう方向)である。以下の説明では、燃料極116の内、燃料ガスFGの流れ方向の上流側(ガスが供給される側)の領域を燃料極上流側領域R1といい、燃料ガスFGの流れ方向の下流側(ガスが排出される側)の領域を燃料極下流側領域R2という。図8(および図7)に示すように、燃料極上流側領域R1は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も上流側の領域を少なくとも含む領域であり、燃料極下流側領域R2は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も下流側の領域を少なくとも含む領域である。より具体的には、燃料極上流側領域R1は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も上流側の領域であり、燃料極下流側領域R2は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も下流側の領域であることが好ましい。
In FIG. 8, the flow direction of the fuel gas FG in the direction orthogonal to the Z direction (hereinafter, referred to as “plane direction”) is a direction from right to left. As shown in FIG. 7, the flow direction of the fuel gas FG is from the fuel gas
また、以下の説明では、燃料極116の機能層350において、燃料ガスFGの流れ方向の上流側の領域を機能層上流側領域Rf1といい、燃料ガスFGの流れ方向の下流側の領域を機能層下流側領域Rf2という。また、燃料極116の基板層360において、燃料ガスFGの流れ方向の上流側の領域を基板層上流側領域Rb1といい、燃料ガスFGの流れ方向の下流側の領域を基板層下流側領域Rb2という。機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1は、燃料極上流側領域R1を構成し、機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2は、燃料極下流側領域R2を構成する。
Further, in the following description, in the
本実施形態の単セル110では、面方向における燃料ガスFGの流れ方向(図8における右から左に向かう方向)に沿って、燃料極116のNi含有率に差が設けられている。具体的には、燃料極116の機能層350では、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2(wt%)は、機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1(wt%)より低くなっている。また、燃料極116の基板層360では、燃料極116の機能層350とは反対に、基板層下流側領域Rb2のNi含有率Cb2(wt%)は、基板層上流側領域Rb1のNi含有率Cb1(wt%)より高くなっている。なお、燃料極116のNi含有率は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)との合計含有量に対するNiの含有量の比をwt%で表したものである。
In the
A−4.燃料電池スタック100の製造方法:
本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法の一例は、以下の通りである。
A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
An example of the method for manufacturing the
(燃料極基板層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。このとき、NiO粉末とYSZ粉末との比率が互いに異なる2種類の混合粉末を用いて、2種類のスラリーを調整する。例えば、NiO粉末:60重量部、YSZ粉末:40重量部の混合粉末を用いて基板層用第1スラリーを調整すると共に、NiO粉末:50重量部、YSZ粉末:50重量部の混合粉末を用いて基板層用第2スラリーを調整する。スラリーダム中央部に、しきい板をキャリアフィルムの進行方向に対し平行の向きに設け、しきい板の一方側に基板層用第1スラリーを供給し、他方側に基板層用第2スラリーを供給する。得られた2種類のスラリーの両方を用いて同時に塗工を行うことにより、燃料極基板層用グリーンシートを作製する。作製された燃料極基板層用グリーンシートの内、基板層用第1スラリー(NiO粉末の含有率が比較的高いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した基板層下流側領域Rb2となる領域であり、基板層用第2スラリー(NiO粉末の含有率が比較的低いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した基板層上流側領域Rb1となる領域である。
(Preparation of green sheet for fuel electrode substrate layer)
To the mixed powder of NiO powder and YSZ powder, organic beads which are pore-forming materials, butyral resin, dioctylphthalate (DOP) which is a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added. , Mix with a ball mill to prepare the slurry. At this time, two types of slurries are prepared using two types of mixed powders having different ratios of NiO powder and YSZ powder. For example, the first slurry for the substrate layer is prepared using a mixed powder of 60 parts by weight of NiO powder and 40 parts by weight of YSZ powder, and a mixed powder of 50 parts by weight of NiO powder and 50 parts by weight of YSZ powder is used. To prepare the second slurry for the substrate layer. A threshold plate is provided in the center of the slurry dam in a direction parallel to the traveling direction of the carrier film, the first slurry for the substrate layer is supplied to one side of the threshold plate, and the second slurry for the substrate layer is provided on the other side. Supply. A green sheet for a fuel electrode substrate layer is produced by applying both of the obtained two types of slurries at the same time. Among the produced green sheets for the fuel electrode substrate layer, the region obtained by applying the first slurry for the substrate layer (slurry having a relatively high content of NiO powder) is the above-mentioned downstream region Rb2 of the substrate layer. The region to be obtained by coating the second slurry for the substrate layer (slurry having a relatively low content of NiO powder) is the region to be the above-mentioned upstream region Rb1 of the substrate layer.
(燃料極機能層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。このとき、NiO粉末とYSZ粉末との比率が互いに異なる2種類の混合粉末を用いて、2種類のスラリーを調整する。例えば、NiO粉末:45重量部、YSZ粉末:55重量部の混合粉末を用いて機能層用第1スラリーを調整すると共に、NiO粉末:55重量部、YSZ粉末:45重量部の混合粉末を用いて機能層用第2スラリーを調整する。スラリーダム中央部に、しきい板をキャリアフィルムの進行方向に対し平行の向きに設け、しきい板の一方側に機能層用第1スラリーを供給し、他方側に機能層用第2スラリーを供給する。得られた2種類のスラリーの両方を用いて同時に塗工を行うことにより、燃料極機能層用グリーンシートを作製する。作製された燃料極機能層用グリーンシートの内、機能層用第1スラリー(NiO粉末の含有率が比較的低いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した機能層下流側領域Rf2となる領域であり、機能層用第2スラリー(NiO粉末の含有率が比較的高いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した機能層上流側領域Rf1となる領域である。
(Preparation of green sheet for fuel electrode functional layer)
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, and a ball mill is used. Mix to prepare the slurry. At this time, two types of slurries are prepared using two types of mixed powders having different ratios of NiO powder and YSZ powder. For example, the first slurry for the functional layer is prepared using a mixed powder of NiO powder: 45 parts by weight and YSZ powder: 55 parts by weight, and a mixed powder of NiO powder: 55 parts by weight and YSZ powder: 45 parts by weight is used. To prepare the second slurry for the functional layer. A threshold plate is provided in the center of the slurry dam in a direction parallel to the traveling direction of the carrier film, the first slurry for the functional layer is supplied to one side of the threshold plate, and the second slurry for the functional layer is provided on the other side. Supply. A green sheet for the fuel electrode functional layer is produced by applying both of the obtained two types of slurries at the same time. Among the produced green sheets for the functional layer of the fuel electrode, the region obtained by applying the first slurry for the functional layer (slurry having a relatively low content of NiO powder) is the region on the downstream side of the functional layer Rf2 described above. The region obtained by applying the second slurry for the functional layer (slurry having a relatively high content of NiO powder) is the region to be the above-mentioned upstream region Rf1 of the functional layer.
(電解質層用グリーンシートの作製)
YSZ粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、電解質層用グリーンシートを作製する。
(Preparation of green sheet for electrolyte layer)
A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to YSZ powder (100 parts by weight) and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a green sheet for an electrolyte layer.
(電解質層112と燃料極116との積層体の作製)
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極機能層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて例えば約280℃で脱脂する。さらに、例えば約1350℃にて焼成を行い、電解質層112と燃料極116(機能層350および基板層360)との積層体を得る。
(Preparation of a laminate of the
The green sheet for the fuel electrode substrate layer, the green sheet for the fuel electrode functional layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at, for example, about 280 ° C. Further, for example, firing is performed at about 1350 ° C. to obtain a laminate of the
(空気極114の形成)
例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成する。作成した混合液を、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側の表面に噴霧塗布し、例えば約1100℃で焼成することによって空気極114を形成する。
(Formation of air pole 114)
For example, a mixed solution of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared. The prepared mixed solution is spray-coated on the surface of the above-mentioned laminate of the
以上の工程により、上述した構成の単セル110が製造される。製造された単セル110において、燃料極116の機能層350では、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2(wt%)が、機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1(wt%)より低くなっており、燃料極116の基板層360では、基板層下流側領域Rb2のNi含有率Cb2(wt%)が、基板層上流側領域Rb1のNi含有率Cb1(wt%)より高くなっている。なお、複数の単セル110が製造された後、複数の単セル110および他の部品を組み立ててボルト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。
Through the above steps, the
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を構成する各単セル110では、燃料極116が、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層350を備える。機能層350において、燃料ガスFGの面方向の流れ方向の一方の側、具体的には下流側の領域(機能層下流側領域Rf2)におけるNi含有率Cf2(wt%)は、ガス流れ方向の他方の側、具体的には上流側の領域(機能層上流側領域Rf1)におけるNi含有率Cf1(wt%)より低い。ここで、SOFCの単セル110では、発電運転時に、機能層下流側領域Rf2において水蒸気分圧が高くなる。これは、単セル110における発電反応に伴い燃料極116側で発生する水(水蒸気)が、燃料ガスFGの流れによって下流側に運ばれるからである。機能層下流側領域Rf2において水蒸気分圧が高くなると、機能層下流側領域Rf2に含まれるNiの微構造変化(凝集)が促進される。機能層350に含まれるNiの微構造変化は、三相界面の減少を引き起こし、単セル110の性能劣化の原因となる。しかし、本実施形態の単セル110では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が比較的低くされているため、機能層下流側領域Rf2における水蒸気分圧の上昇に伴うNiの微構造変化の発生量を低減することができ、単セル110の性能劣化を抑制することができる。また、本実施形態の単セル110では、水蒸気分圧が高くなりにくい機能層上流側領域Rf1においては、Ni含有率Cf1(wt%)が比較的高くされている。そのため、機能層350全体としてのNiの含有率をある程度確保することができ、単セル110の初期性能の低下を抑制することができる。従って、本実施形態の単セル110によれば、単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができる。
A-5. Effect of this embodiment:
As described above, in each
また、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各単セル110では、燃料極116が、機能層350の電解質層112側とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層360を備える。基板層360において、燃料ガスの面方向の流れ方向の上記一方の側、具体的には下流側の領域(基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率Cb2(wt%)は、ガス流れ方向の上記他方の側、具体的には上流側の領域(基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率Cb1(wt%)より高い。一般に、基板層360では、発電反応が行われる機能層350と異なり、発電反応がほとんど行われない。従って、基板層360は、発電反応によって生じた水蒸気の影響を受け難く、発電運転時においても、機能層350より水蒸気分圧が比較的低い状態に維持される。そのため、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)を比較的高くしても、基板層下流側領域Rb2に含まれるNiの微構造変化の発生量は少なく、単セル110の性能が大きく劣化することはない。また、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)を比較的高くすることによって、燃料極116の燃料極下流側領域R2(機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率と、燃料極上流側領域R1(機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率との差を小さくすることができる。その結果、燃料極116における燃料ガスFGの流れ方向の上流側の領域で電流集中が発生することを抑制することができ、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができる。従って、本実施形態の単セル110によれば、単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができ、さらに、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができる。
Further, in each
A−6.性能評価:
複数の燃料電池スタック100のサンプルを用いて行った性能評価について、以下説明する。図9は、性能評価結果を示す説明図である。図9に示すように、各サンプルS1〜S12は、燃料電池スタック100を構成する各単セル110の燃料極116の構成が互いに異なっている。より具体的には、各サンプルは、燃料電池スタック100を構成する各単セル110において、機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1(wt%)と、基板層上流側領域Rb1のNi含有率Cb1(wt%)と、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2(wt%)と、基板層下流側領域Rb2のNi含有率Cb2(wt%)との組合せが、互いに異なっている。なお、本性能評価において、各サンプルの燃料電池スタック100が備える単セル110の数は10個とした。
A-6. Performance evaluation:
The performance evaluation performed using the samples of the plurality of fuel cell stacks 100 will be described below. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result. As shown in FIG. 9, the samples S1 to S12 have
(評価項目および評価方法)
本性能評価では、初期平均出力と劣化率との2つの項目について評価を行った。初期平均出力は、初期状態における燃料電池スタック100を構成する各単セル110の出力(V)の平均値である。初期平均出力については、0.8(V)より高い場合に合格と判定した。また、劣化率は、初期平均出力に対する1000h運転後の出力降下量(初期平均出力と1000h運転後の平均出力との差)の比を百分率で表したものである。劣化率については、1.0(%)より低い場合に合格と判定した。
(Evaluation items and evaluation methods)
In this performance evaluation, two items, the initial average output and the deterioration rate, were evaluated. The initial average output is the average value of the outputs (V) of each
(評価結果)
サンプルS1およびサンプルS11では、劣化率が1.0(%)以上であったため、不合格(×)と判定された。サンプルS1およびサンプルS11では、機能層350の構成に関し、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が、機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より高いか、Ni含有率Cf1(wt%)と同じ値となっている。そのため、サンプルS1およびサンプルS11では、発電運転時に、機能層下流側領域Rf2の水蒸気分圧が上昇することに伴って、機能層下流側領域Rf2に比較的高い含有率で含まれるNiの微構造変化が促進され、単セル110の性能が劣化したものと考えられる。
(Evaluation results)
In the sample S1 and the sample S11, the deterioration rate was 1.0 (%) or more, so that the sample S1 and the sample S11 were judged to be rejected (x). In the sample S1 and the sample S11, regarding the configuration of the
また、サンプルS9およびS10では、初期平均出力が0.8(V)以下であったため、不合格(×)と判定された。サンプルS9およびS10では、機能層上流側領域Rf1においても機能層下流側領域Rf2においてもNi含有率がかなり低くなっているため、初期平均出力が低くなったものと考えられる。なお、サンプルS9およびS10では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)の値が極めて低いため、劣化率については不合格とされなかった。 Further, in the samples S9 and S10, since the initial average output was 0.8 (V) or less, it was determined to be rejected (x). In the samples S9 and S10, since the Ni content was considerably low in both the functional layer upstream region Rf1 and the functional layer downstream region Rf2, it is considered that the initial average output was low. In the samples S9 and S10, the value of the Ni content Cf2 (wt%) in the region Rf2 on the downstream side of the functional layer was extremely low, so the deterioration rate was not rejected.
また、サンプルS12では、劣化率の評価のための発電運転中に単セル110の破損が発生したため、不合格(×)と判定された。サンプルS12では、燃料極下流側領域R2(機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率が、燃料極上流側領域R1(機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率より大幅に低いため、燃料極上流側領域R1において電流集中が発生し、単セル110が破損したものと考えられる。
Further, in sample S12, since the
これに対し、サンプルS2〜S8では、初期平均出力が0.8(V)より高く、かつ、劣化率が1.0(%)より低かったため、合格(〇または◎)と判定された。サンプルS2〜S8では、機能層350の構成に関し、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くなっている。そのため、サンプルS2〜S8では、機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)を比較的高くすることによって単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)を比較的低くすることによって発電運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができたものと考えられる。また、サンプルS2〜S8では、基板層360の構成に関し、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)が基板層上流側領域Rb1におけるNi含有率Cb1(wt%)より高くなっている。そのため、サンプルS2〜S8では、燃料極116の燃料極下流側領域R2(機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率と、燃料極上流側領域R1(機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率との差を小さくすることができ、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができたものと考えられる。
On the other hand, in the samples S2 to S8, the initial average output was higher than 0.8 (V) and the deterioration rate was lower than 1.0 (%), so that the samples were judged to be acceptable (◯ or ⊚). In the samples S2 to S8, regarding the configuration of the
なお、サンプルS8では、初期平均出力が0.81(V)以下であったため、合格(〇)と判定されるに留まったが、サンプルS2〜S7では、初期平均出力が0.81(V)より高かったため、特に良好(◎)と判定された。サンプルS8では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)と比較して大幅に低い、すなわち、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2に対する機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)が、2.200と比較的大きい。そのため、単セル110の性能劣化を抑制することはできるものの、初期性能低下の抑制の点でサンプルS2〜S7に及ばなかったものと考えられる。サンプルS2〜S7では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より低いが、Cf1/Cf2は低い値に抑えられている(具体的には、1.851以下である)。そのため、サンプルS2〜S7では、単セル110の初期性能の低下を効果的に抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができたものと考えられる。
In sample S8, the initial average output was 0.81 (V) or less, so it was only judged as passing (〇), but in samples S2 to S7, the initial average output was 0.81 (V). Since it was higher, it was judged to be particularly good (◎). In sample S8, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is significantly lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1, that is, the functional layer downstream region. The ratio of the Ni content Cf1 of the functional layer upstream region Rf1 to the Ni content Cf2 of Rf2 (Cf1 / Cf2) is relatively large at 2.200. Therefore, although it is possible to suppress the deterioration of the performance of the
以上説明した性能評価の結果から、単セル110において、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)を機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くすれば、単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができることが確認された。さらに、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2に対する機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)を1より大きく、1.851以下とすれば、単セル110の初期性能の低下を効果的に抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができることが確認された。
From the results of the performance evaluation described above, in the
また、上記性能評価の結果から、単セル110において、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)を基板層上流側領域Rb1におけるNi含有率Cb1(wt%)より高くすれば、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができることが確認された。
Further, from the result of the above performance evaluation, if the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer downstream region Rb2 is made higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the substrate layer upstream region Rb1 in the
A−7.燃料極116の分析方法:
単セル110の燃料極116におけるNi含有率を分析する方法について、以下説明する。
A-7. Analysis method of fuel pole 116:
A method for analyzing the Ni content in the
(分析画像の取得方法)
まず、燃料極116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。すなわち、上下方向(Z方向)に略平行な単セル110の断面であって、燃料極116の燃料極上流側領域R1を含む断面と、燃料極116の燃料極下流側領域R2を含む断面とを任意に設定する。設定された2つの断面のそれぞれにおける異なる3つの位置で、燃料極116の機能層350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、燃料極116の機能層350と電解質層112との境界B1(図8参照)と推測される部分が、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、燃料極116の機能層350と基板層360との境界B2(図8参照)と推測される部分が、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。
(Acquisition method of analytical image)
First, an analysis image used for the analysis of the
(各境界の特定)
燃料極116の機能層350と電解質層112との境界B1は、上記各分析画像において、機能層350と電解質層112との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、機能層350と基板層360との境界B2は、上記各分析画像において、機能層350と基板層360との気孔率の相違等に基づき特定することができる。
(Specification of each boundary)
The boundary B1 between the
(Ni含有率の特定)
各領域におけるNi含有率(wt%)は、SEM−EDSを用いて上記各分析画像中の各領域におけるNiおよびYSZを識別し、NiとYSZとの合計含有量に対するNiの含有量の比をwt%で算出することにより特定することができる。なお、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2、および、機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1については、上記各分析画像において、機能層350を上下方向(Z方向)に3分割したときの最も上側(電解質層112側)に位置する部分を対象としてNi含有率を算出し、各分析画像において算出されたNi含有率の平均値を、最終的なNi含有率とする。また、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2、および、基板層上流側領域Rb1におけるNi含有率Cb1については、上記各分析画像において、上述した各分析画像を上下方向に10等分して得られた10個の分割領域の内の最も下側に位置する分割領域中の基板層360の部分のNi含有率を算出し、各分析画像において算出されたNi含有率の平均値を、最終的なNi含有率とする。
(Specification of Ni content)
For the Ni content (wt%) in each region, SEM-EDS is used to identify Ni and YSZ in each region in each of the above analytical images, and the ratio of the Ni content to the total content of Ni and YSZ is calculated. It can be specified by calculating in wt%. Regarding the Ni content Cf2 in the functional layer downstream region Rf2 and the Ni content Cf1 in the functional layer upstream region Rf1, the
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。例えば、本明細書で開示される技術は、円筒型や円筒平板型等の燃料電池の公知の構造にも適用することができる。
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. For example, the techniques disclosed herein can also be applied to known structures of fuel cells such as cylindrical and cylindrical flat plates.
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、例えば国際公開第2012/165409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を介して燃料室176に原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解単セル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。
Further, in the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention comprises an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel 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 as described in, for example, International Publication No. 2012/165409, but is generally the same as the
ここで、SOECの運転時には、燃料極116側に供給されるガスとしての水蒸気が、ガス流れ方向に進みつつ電解単セルにおける反応に供されるため、燃料極116の機能層350の内、ガス流れ方向の上流側の領域において水蒸気分圧が高くなる。そのため、SOECにおいても、機能層350における特定の領域において水蒸気分圧が高くなることによって機能層350に含まれるNiの微構造変化が促進され、電解単セルの性能劣化が発生しやすいという課題がある。そこで、電解単セルにおいても、燃料極116がNiと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層350を有し、機能層350において、燃料極116側に供給されるガス(水蒸気)の流れ方向の一方の側、具体的には上流側の領域のNi含有率(wt%)は、ガス流れ方向の他方の側、具体的には下流側の領域のNi含有率(wt%)より低い構成を採用すれば、電解単セルの性能低下を抑制しつつ、運転に伴う電解単セルの性能劣化を抑制することができる。また、電解単セルにおいても、燃料極116は、機能層350の電解質層112側とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層360を有し、基板層360において、ガス流れ方向の上記一方の側、具体的には上流側の領域のNi含有率(wt%)は、ガス流れ方向の上記他方の側、具体的には下流側の領域のNi含有率(wt%)より高い構成を採用すれば、電流集中を原因とする電解単セルの破損を抑制することができる。
Here, during the operation of the SOEC, water vapor as a gas supplied to the
また、上記実施形態において説明した燃料極116の構成(Ni含有率の関係等)は、燃料電池スタック100(または電解セルスタック、以下同様)に含まれるすべての単セル110(または電解単セル、以下同様)において採用されていてもよいし、燃料電池スタック100に含まれる一部のみの単セル110において採用されていてもよい。
Further, the configuration of the fuel electrode 116 (relationship of Ni content, etc.) described in the above embodiment includes all the single cells 110 (or electrolytic single cells) included in the fuel cell stack 100 (or the electrolytic cell stack, the same applies hereinafter). It may be adopted in (the same applies hereinafter), or it may be adopted in only a part of the
また、本明細書に開示される技術は、以下の適用例としても実現することが可能である。
[適用例1]
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、備える燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の下流側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の上流側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、燃料電池単セル。
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記機能層における前記下流側の領域のNi含有率Cf2に対する前記上流側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記下流側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記上流側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、燃料電池単セル。
[適用例4]
前記第1の方向に並べて配置された複数の燃料電池単セルを備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池単セルの少なくとも1つは、適用例1から適用例3までのいずれか一つに記載の燃料電池単セルであることを特徴とする、燃料電池スタック。
[適用例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、備える電解単セルにおいて、
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の上流側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の下流側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、電解単セル。
[適用例6]
適用例5に記載の電解単セルにおいて、
前記機能層における前記上流側の領域のNi含有率Cf2に対する前記下流側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴とする、電解単セル。
[適用例7]
適用例5または適用例6に記載の電解単セルにおいて、
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記上流側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記下流側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、電解単セル。
[適用例8]
前記第1の方向に並べて配置された複数の電解単セルを備える電解セルスタックにおいて、
前記複数の電解単セルの少なくとも1つは、適用例5から適用例7までのいずれか一つに記載の電解単セルであることを特徴とする、電解セルスタック。
In addition, the techniques disclosed in the present specification can also be realized as the following application examples.
[Application example 1]
In a fuel cell single cell provided with an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween.
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and has a functional layer.
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on the downstream side in the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is on the upstream side in the gas flow direction. A fuel cell single cell characterized in that the Ni content in the region is lower than Cf1 (wt%).
[Application example 2]
In the fuel cell single cell described in Application Example 1,
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the upstream region to the Ni content Cf2 of the downstream region in the functional layer is larger than 1 and 1.851 or less. Fuel cell single cell.
[Application example 3]
In the fuel cell single cell according to Application Example 1 or Application Example 2.
The fuel electrode is further arranged on the opposite side of the functional layer from the electrolyte layer, and has a substrate layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics.
In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) in the region on the downstream side in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the region on the upstream side in the gas flow direction. Fuel cell single cell.
[Application example 4]
In a fuel cell stack including a plurality of fuel cell single cells arranged side by side in the first direction.
A fuel cell stack, wherein at least one of the plurality of fuel cell single cells is the fuel cell single cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 3.
[Application example 5]
In an electrolytic single cell provided with 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 fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and has a functional layer.
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on the upstream side in the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is on the downstream side in the gas flow direction. An electrolytic single cell characterized in that the Ni content of the region is lower than Cf1 (wt%).
[Application example 6]
In the electrolytic single cell according to Application Example 5,
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the downstream region to the Ni content Cf2 of the upstream region in the functional layer is larger than 1 and 1.851 or less. Electrolytic single cell.
[Application 7]
In the electrolytic single cell according to Application Example 5 or Application Example 6,
The fuel electrode is further arranged on the opposite side of the functional layer from the electrolyte layer, and has a substrate layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics.
In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) in the upstream region in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the downstream region in the gas flow direction. Electrolytic single cell.
[Application Example 8]
In an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells arranged side by side in the first direction.
An electrolytic cell stack, wherein at least one of the plurality of electrolytic single cells is the electrolytic single cell according to any one of Application Example 5 to Application Example 7.
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 40:集電部 51:電極支持体 52:燃料ガス流路 53:インターコネクタ 70:収納容器 73:マニホールド 76:改質器 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 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 350:機能層 360:基板層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 40: Current collector 51: Electrode support 52: Fuel gas flow path 53: Interconnector 70: Storage container 73: Manifold 76: Reformer 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air pole 116: Fuel pole 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air pole side frame 131: Hole 132: Oxidizing agent gas supply communication hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air pole 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 electrode side current collector 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant 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 350: Functional layer 360: Substrate layer
Claims (5)
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の下流側である一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の上流側である他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低く、
前記機能層における前記一方の側の領域のNi含有率Cf2に対する前記他方の側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴する、電気化学反応単セル。 An electrolyte layer containing a solid oxide, and the air electrode and the fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer, the electrochemical reaction unit cells of the fuel cell single cell with a
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and has a functional layer.
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on one side downstream of the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the gas flow. rather low from the direction of the Ni content of the other side region on the upstream side Cf1 (wt%),
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the other side region to the Ni content Cf2 of the one side region in the functional layer is larger than 1 and 1.851 or less. , Electrochemical reaction single cell.
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の下流側である一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の上流側である他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低く、
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記一方の側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記他方の側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、電気化学反応単セル。 In an electrochemical reaction single cell as a fuel cell 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.
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and has a functional layer.
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on one side downstream of the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the gas flow. The Ni content is lower than Cf1 (wt%) in the region on the other side upstream of the direction.
The fuel electrode is further arranged on the opposite side of the functional layer from the electrolyte layer, and has a substrate layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics.
In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) of the region on one side in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the region on the other side in the gas flow direction. Characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、 The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and has a functional layer.
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の上流側である一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の下流側である他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低く、 In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on one side upstream of the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the gas flow. The Ni content is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the region on the other side, which is the downstream side in the direction.
前記機能層における前記一方の側の領域のNi含有率Cf2に対する前記他方の側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴する、電気化学反応単セル。 The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the other side region to the Ni content Cf2 of the one side region in the functional layer is larger than 1 and 1.851 or less. , Electrochemical reaction single cell.
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、 The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and has a functional layer.
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の上流側である一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の下流側である他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低く、 In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on one side upstream of the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the gas flow. The Ni content is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the region on the other side, which is the downstream side in the direction.
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、 The fuel electrode is further arranged on the opposite side of the functional layer from the electrolyte layer, and has a substrate layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics.
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記一方の側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記他方の側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、電気化学反応単セル。 In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) of the region on one side in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the region on the other side in the gas flow direction. 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 including 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 4 , wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell.
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