JP6780920B2 - Fuel cell single cell and fuel cell stack - Google Patents
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Description
本明細書に開示される技術は、燃料電池単セルに関する。 The techniques disclosed herein relate to fuel cell single cells.
固体酸化物を電解質として用いる固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)が知られている。このSOFCに備えられる燃料電池単セルは、電解質層と、所定の方向(以下、「対向方向」ともいう)において電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを備え、空気極に酸化剤ガスが供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることによって発電する。このような燃料電池単セル(以下、「単セル」ともいう)の中には、例えば、電解質層と空気極との境界面付近で、空気極に含まれる物質が電解質層に含まれる物質と反応して高抵抗層が形成されることを抑制するために、空気極と電解質層との間にイオン伝導性材料を含む中間層が配置されたものが知られている(例えば特許文献1)。 A solid oxide fuel cell (hereinafter, also referred to as "SOFC") using a solid oxide as an electrolyte is known. The fuel cell single cell provided in this SOFC includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the electrolyte layer in a predetermined direction (hereinafter, also referred to as "opposing direction"), and oxidizes to the air electrode. Agent gas is supplied, and fuel gas is supplied to the fuel electrode to generate power. In such a fuel cell single cell (hereinafter, also referred to as “single cell”), for example, a substance contained in the air electrode is contained in the electrolyte layer near the interface between the electrolyte layer and the air electrode. It is known that an intermediate layer containing an ionic conductive material is arranged between an air electrode and an electrolyte layer in order to suppress the formation of a high resistance layer by reaction (for example, Patent Document 1). ..
上述した中間層を含む燃料電池単セルでは、空気極を構成する材料であって、電子導電性を有する空気極材料と、中間層を構成する材料であって、イオン伝導性を有する中間層材料とが連結する連結箇所において、酸化剤ガスに含まれる酸素分子のイオン化反応が起きる。従って、この連結箇所の表面積が小さいと、そのイオン化反応による酸化物イオンの生成量が少なくなるため、燃料電池単セルの発電効率が低くなるという問題が生じる。 In the fuel cell single cell including the above-mentioned intermediate layer, the material constituting the air electrode and having electron conductivity and the material constituting the intermediate layer and having ionic conductivity are used. An ionization reaction of oxygen molecules contained in the oxidant gas occurs at the connection point where the two are connected. Therefore, if the surface area of the connecting portion is small, the amount of oxide ions generated by the ionization reaction is small, which causes a problem that the power generation efficiency of the fuel cell single cell is low.
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving at least a part of the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、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 in the following forms.
(1)本明細書に開示される燃料電池単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、前記電解質層と前記空気極との間に配置される中間層と、を備える燃料電池単セルにおいて、前記空気極に含まれる材料であって、電子導電性を有する空気極材料の平均粒径は、0.2μm以上、0.7μm以下であり、前記中間層に含まれる材料であって、イオン伝導性を有する中間層材料の平均粒径は、0.4μm以上、1μm以下であり、前記空気極材料の平均粒径と前記中間層材料の平均粒径との差は、0.1μm以上、0.3μm以下であることを特徴とする。空気極材料の平均粒径と中間層材料の平均粒径との差が小さいほど、空気極材料と中間層材料とが連結する連結箇所の面積を大きくすることができる。一方、上記の差を小さくしても、空気極材料および中間層材料の平均粒径が大きすぎると、連結箇所の面積を大きくすることができない。この燃料電池単セルによれば、空気極材料の平均粒径は、0.2μm以上、0.7μm以下であり、中間層材料の平均粒径は、0.4μm以上、1μm以下であり、空気極材料の平均粒径と中間層材料の平均粒径との差は、0.1μm以上、0.3μm以下である。これにより、例えば、空気極材料の平均粒径が0.7μmより大きく、中間層材料の平均粒径が1μmより大きく、空気極材料の平均粒径と中間層材料の平均粒径との差が0.3μmより大きい場合に比べて、空気極材料と中間層材料とが連結する連結箇所の面積を大きくすることができるため、燃料電池単セルの発電効率を向上させることができる。 (1) The fuel cell single cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode and a fuel electrode facing each other across the electrolyte layer, and the electrolyte layer and the air electrode. In a fuel cell single cell provided with an intermediate layer arranged between them, the average particle size of the air electrode material contained in the air electrode and having electron conductivity is 0.2 μm or more and 0.7 μm. The average particle size of the material contained in the intermediate layer and having ionic conductivity is 0.4 μm or more and 1 μm or less, and is intermediate between the average particle size of the air electrode material and the intermediate layer material. The difference from the average particle size of the layer material is 0.1 μm or more and 0.3 μm or less. The smaller the difference between the average particle size of the air electrode material and the average particle size of the intermediate layer material, the larger the area of the connecting portion where the air electrode material and the intermediate layer material are connected. On the other hand, even if the above difference is made small, if the average particle size of the air electrode material and the intermediate layer material is too large, the area of the connecting portion cannot be increased. According to this fuel cell single cell, the average particle size of the air electrode material is 0.2 μm or more and 0.7 μm or less, the average particle size of the intermediate layer material is 0.4 μm or more and 1 μm or less, and air. The difference between the average particle size of the polar material and the average particle size of the intermediate layer material is 0.1 μm or more and 0.3 μm or less. As a result, for example, the average particle size of the air electrode material is larger than 0.7 μm, the average particle size of the intermediate layer material is larger than 1 μm, and the difference between the average particle size of the air electrode material and the average particle size of the intermediate layer material is large. Since the area of the connecting portion where the air electrode material and the intermediate layer material are connected can be increased as compared with the case where the size is larger than 0.3 μm, the power generation efficiency of the fuel cell single cell can be improved.
(2)上記燃料電池単セルにおいて、前記空気極材料は、電子導電性に加えてイオン伝導性を有し、前記空気極材料の平均粒径は、前記中間層材料の平均粒径より小さい構成としてもよい。空気極材料が電子導電性とイオン伝導性とを有する場合、中間層材料が近傍に存在する空気極材料の表面で生成された酸化物イオンだけでなく、中間層材料が近傍に存在しない空気極材料の表面で生成された酸化物イオンが、空気極材料によって中間層側に伝達される。このため、このように空気極材料が電子導電性とイオン伝導性とを有する場合、空気極材料がイオン伝導性を有しない場合に比べて、燃料電池単セルの発電効率が高くなる。そして、空気極材料の表面の内、酸化剤ガスが通過する空間に露出する露出箇所の面積が大きいほど、多くの酸化物イオンが生成され中間層側に伝達されるため、この中間層材料が近傍に存在しない空気極材料の表面で生成された酸化物イオンに基づく発電量が大きくなる。そこで、この燃料電池単セルによれば、空気極材料の平均粒径が、中間層材料の平均粒径より小さい。これにより、空気極材料の平均粒径が、中間層材料の平均粒径より大きい場合に比べて、空気極材料の露出箇所の面積が大きいため、燃料電池単セルの発電効率を向上させることができる。 (2) In the fuel cell single cell, the air electrode material has ionic conductivity in addition to electron conductivity, and the average particle size of the air electrode material is smaller than the average particle size of the intermediate layer material. May be. When the air electrode material has electron conductivity and ionic conductivity, not only the oxide ions generated on the surface of the air electrode material in which the intermediate layer material is present in the vicinity but also the air electrode in which the intermediate layer material is not present in the vicinity. The oxide ions generated on the surface of the material are transferred to the intermediate layer side by the air electrode material. Therefore, when the air electrode material has electron conductivity and ionic conductivity as described above, the power generation efficiency of the fuel cell single cell is higher than that when the air electrode material does not have ionic conductivity. The larger the area of the exposed portion exposed in the space through which the oxidant gas passes on the surface of the air electrode material, the more oxide ions are generated and transmitted to the intermediate layer side, so that this intermediate layer material is used. The amount of power generated based on the oxide ions generated on the surface of the air electrode material that does not exist in the vicinity increases. Therefore, according to this fuel cell single cell, the average particle size of the air electrode material is smaller than the average particle size of the intermediate layer material. As a result, the area of the exposed portion of the air electrode material is larger than that when the average particle size of the air electrode material is larger than the average particle size of the intermediate layer material, so that the power generation efficiency of the fuel cell single cell can be improved. it can.
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、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。 The techniques disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell stack, a power generation module including a fuel cell stack, a fuel cell system including a power generation module, and the like. It is possible to do.
A.第1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。
A. First Embodiment:
A-1. Constitution:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)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
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が挿入されており、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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。
(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、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔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、電解質層112と空気極114との間に配置される中間層300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と中間層300と空気極114とを支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、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、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))といった電子導電性を有する材料により形成されている。なお、LSCFは、電子導電性に加えてイオン伝導性をも有する酸化物イオン−電子混合導電性の空気極材料の一例である。燃料極116は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
図4および図5に示すように、中間層300は、電解質層112と空気極114との間に配置されている。中間層300は、空気極114と略同一の大きさの方形の平板形状部材であり、例えば、SDC、GDC、ペロブスカイト型酸化物といった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。仮に、電解質層112と空気極114との間に中間層300が無い場合、燃料電池スタック100の運転動作時のような高温条件下において、空気極114に含まれる金属の元素(例えばSrやLa (以下、「拡散元素」ともいう))と、電解質層112に含まれる遷移元素(例えばZr)とが反応して空気極114と電解質層112との境界付近に高抵抗層(例えばSrZrO3)が形成されることにより、単セル110の発電効率が低下することがある。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
これに対して、本実施形態の単セル110では、中間層300が、電解質層112と空気極114との間に配置されている。このため、中間層300は、空気極114に含まれる金属の元素と、電解質層112に含まれる遷移元素とが反応して高抵抗層が形成されることを防止する反応防止層としての機能を有する。また、中間層300は、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。このため、中間層300は、酸化剤ガスOGに含まれる酸素分子のイオン化反応により空気極114にて生成された酸化物イオンを電解質層112へと見かけ上移動させる機能を有する。
On the other hand, in the
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。
The air pole side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.中間層の詳細構成:
図6には、単セル110の一部分(空気極114、中間層300)の上下方向(Z方向)に平行な断面構成(XZ平面に平行な断面構成)が示されている。図6に示すように、空気極114には、空気極材料310に加えて、イオン伝導性を有するイオン伝導性材料320が含まれており、中間層300には、中間層材料330が含まれている。空気極材料310は例えばLSCFであり、イオン伝導性材料320および中間層材料330は、同一材料でもよく、例えばGDCである。このように、空気極114に、中間層300と同一材料を含めることにより、空気極114と中間層300との熱膨張率の差が小さくなるため、熱膨張率の差に起因して空気極114と中間層300とが剥がれることを抑制することができる。また、空気極114におけるイオン伝導性材料320(GDC)の濃度は、90mol%未満であることが好ましく、50mol%未満であることがより好ましい。また、中間層300における中間層材料330(GDC)の濃度は、90mol%以上であることが好ましい。
A-3. Detailed composition of the middle layer:
FIG. 6 shows a cross-sectional configuration (cross-sectional configuration parallel to the XZ plane) parallel to the vertical direction (Z direction) of a part of the single cell 110 (
また、空気極114および中間層300は、次の3つの条件1〜3の全てを満たす。
条件1:空気極材料310の平均粒径は、0.2μm以上、0.7μm以下である。
条件2:中間層材料330の平均粒径は、0.4μm以上、1μm以下である。
条件3:空気極材料310の平均粒径と中間層材料330の平均粒径との差は、0.1μm以上、0.3μm以下である。
また、空気極材料310の平均粒径は、中間層材料330の平均粒径より小さい。
Further, the
Condition 1: The average particle size of the
Condition 2: The average particle size of the
Condition 3: The difference between the average particle size of the
Further, the average particle size of the
ここでいう空気極材料310の平均粒径とは、空気極114の内、機能層(実質的に空気極として機能する部分)、あるいは、三相界面を形成し得る空気極材料310の平均粒径をいう。より具体的には、空気極材料310の平均粒径とは、例えば、空気極114の内、空気極114と中間層300との境界Bから、空気極114と燃料極116との対向方向(Z方向)における空気極114の中央位置までの領域、あるいは、上記境界Bから、空気極114と燃料極116との対向方向(Z方向)に0.5μm離間した位置までの領域に存在する空気極材料310の平均粒径をいう。また、中間層材料330の平均粒径とは、中間層300の内、三相界面を形成し得る中間層材料330の平均粒径をいう。より具体的には、中間層材料330の平均粒径とは、例えば、燃料極116の内、上記境界Bから、空気極114と燃料極116との対向方向(Z方向)における中間層300の中央位置までの領域、あるいは、上記境界Bから、空気極114と燃料極116との対向方向に0.5μm離間した位置までの領域に存在する中間層材料330の平均粒径をいう。
The average particle size of the
A−4.単セル110の製造方法:
単セル110の製造方法の一例は、次の通りである。
(固体電解質層用のグリーンシートの作製)
BET法による比表面積が、5〜7m2/gであるYSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーにドクターブレード法を用いることによって、厚さ10μmの固体電解質層用グリーンシートを得る。
A-4. Manufacturing method of single cell 110:
An example of the manufacturing method of the
(Preparation of green sheet for solid electrolyte layer)
Butyral resin, dioctylphthalate (DOP) as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to YSZ powder having a specific surface area of 5 to 7 m 2 / g by the BET method. , Mix in a ball mill to prepare a slurry. By using the doctor blade method on the obtained slurry, a green sheet for a solid electrolyte layer having a thickness of 10 μm is obtained.
(燃料極層用のグリーンシートの作製)
BET法による比表面積が、3〜4m2/gであるNiOの粉末を、Ni重量に換算して55質量部となるように秤量し、BET法による比表面積が5〜7m2/gであるYSZの粉末45質量部と混合し、混合粉末を得る。こ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。得られたスラリーにドクターブレード法を用いることによって、厚さ10μmの燃料極活性層用グリーンシートを得る。
(Making a green sheet for the fuel electrode layer)
NiO powder having a specific surface area of 3 to 4 m 2 / g by the BET method is weighed so as to be 55 parts by mass in terms of Ni weight, and the specific surface area by the BET method is 5 to 7 m 2 / g. Mix with 45 parts by mass of YSZ powder to obtain a mixed powder. To this mixed powder, a butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. By using the doctor blade method on the obtained slurry, a green sheet for a fuel polar active layer having a thickness of 10 μm is obtained.
(固体電解質層と燃料極層との積層)
固体電解質層用のグリーンシートと、燃料極層用のグリーンシートとを、貼り付け、乾燥させる。さらに、1400℃にて焼成を行い、電解質層112と燃料極(燃料極層)116との積層体を得る。
(Lamination of solid electrolyte layer and fuel electrode layer)
The green sheet for the solid electrolyte layer and the green sheet for the fuel electrode layer are attached and dried. Further, firing is performed at 1400 ° C. to obtain a laminate of the
(中間層形成用スラリーの調製、印刷、及び焼成)
GDC粉末に、アクリルバインダーとイソプロピルアルコールとからなる溶媒を添加し、混合して、中間層形成用スラリーを調製する。調製したスラリーを、電解質層112と燃料極116との積層体における、固体電解質成形体側の表面に、スクリーン印刷法にて塗布し、塗布後の積層体を焼成する。この際、中間層材料330の平均粒径が上記条件2を満たすように、中間層材料330の初期の原料粒度と、積層体の焼成温度とをそれぞれ調整する。例えばGDC粉末の粒径が小さいほど、焼成後の積層体における中間層材料330の平均粒径を小さくすることができる。また、焼成温度を高くするほど、焼成後の積層体における中間層材料330の平均粒径を大きくすることができる。
(Preparation, printing, and firing of slurry for intermediate layer formation)
A solvent composed of an acrylic binder and isopropyl alcohol is added to the GDC powder and mixed to prepare a slurry for forming an intermediate layer. The prepared slurry is applied to the surface of the laminate of the
(空気極114の形成)
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した。作成した混合液を、中間層300が形成された上記積層体における中間層300の表面に噴霧塗布し、1100℃で焼成することによって空気極114を成形する。この際、空気極材料310の平均粒径が上記条件1を満たすように、空気極材料310の初期の原料粒度と、積層体の焼成温度とをそれぞれ調整する。例えばLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末の粒度が高いほど、焼成後の積層体における空気極材料310の平均粒径を小さくすることができる。また、焼成温度を高くするほど、焼成後の積層体における空気極材料310の平均粒径を大きくすることができる。このようにして、上記条件1〜3の全てを満たす単セル110を製造することができる。
(Formation of air pole 114)
A mixed solution consisting of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol was prepared. The prepared mixed liquid is spray-coated on the surface of the
A−5.中間層300の分析方法:
(分析画像Mの取得方法)
図7には、単セル110の一部分(空気極114、中間層300)の上下方向(Z方向)に平行な断面構成(XZ平面に平行な断面構成)の分析画像Mが示されている。まず、中間層300について、空気極材料310や中間層材料330の平均粒径等を分析するための分析画像Mを次のようにして取得する。
A-5. Analysis method of intermediate layer 300:
(Acquisition method of analytical image M)
FIG. 7 shows an analytical image M having a cross-sectional structure (cross-sectional structure parallel to the XZ plane) parallel to the vertical direction (Z direction) of a part of the single cell 110 (
まず、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察された画像において、各粒子の径の相違や、空気極材料310の有無等により、空気極114と中間層300とを識別することができるため、この両領域の境界を、空気極114と中間層300との境界Bであると推測することができる。例えば、空気極材料310が存在する領域(空気極114)と、空気極材料310が存在しない領域(中間層300)とを識別することができるため、この両領域の境界を、空気極114と中間層300との境界Bであると推測することができる。そして、図7に示すように、空気極114と中間層300との境界Bであると推測される部分が上下方向(Z方向)における略中央の位置に配置された画像であって、中間層300および空気極114の内、境界Bであると推測される部分から上下方向(Z方向)に略0.5μm離れた位置までの領域が含まれる画像を、例えばSEMにより観察できるようにする。そして、SEMにより観察された画像を撮影することにより、分析画像Mを取得する。
First, in the image observed by the scanning electron microscope (SEM), the
この分析画像Mは、SEMにより観察された画像を2値化処理した後の2値化画像でもよい。但し、2値化画像における空気極材料310等の形態が実際のものと大きく異なる場合には、SEMにより観察された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、SEMにより観察された2値化処理前の画像そのものでもよい。また、SEMの画像の倍率は、5,000〜20,000倍とすることができる。なお、分析画像Mを取得する方法は、これに限定されず、本分析に適当な画像を得るために適宜変更することができる。なお、SEMに限らず、FIB−SIM(集束イオンビーム走査イオン顕微鏡)やEBSD(電子線後方散乱回折法)により得られた画像を撮影することにより、分析画像Mを取得してもよい。
The analysis image M may be a binarized image after binarizing the image observed by the SEM. However, if the morphology of the
(平均粒径の測定方法)
空気極材料310や中間層材料330の平均粒径の測定は、"水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、1985年3月25日発行、第192頁から第195頁"において記載されている方法(インターセプト方法)に従って行うことができる。具体的には、分析画像Mにおいて、空気極114に、境界Bであると推測される部分と略平行な直線を複数本(図7のL(1)〜L(5))引き、この直線上に位置する空気極材料310の粒子の長さを粒子ごとに測定し、これらの長さの平均値を、空気極材料310の平均粒径とする。また、中間層300に、境界Bであると推測される部分と略平行な直線を複数本(図7のL(−1)〜L(−5))引き、この直線上に位置する中間層材料330の粒子の長さを粒子ごとに測定し、これらの長さの平均値を、中間層材料330の平均粒径とする。
(Measuring method of average particle size)
For the measurement of the average particle size of the
(連結度の測定方法)
本実施形態では、単セル110(燃料電池スタック100)の発電効率を評価するパラメータとして、空気極114と中間層300との連結度を使用する。この連結度とは、境界Bにおける空気極材料310と中間層材料330との連結の程度を示す。なお、連結とは、空気極材料310と中間層材料330とが、隙間無しで、あるいは、若干の隙間を介して、対面していることをいう。この連結度が高いことは、空気極材料310と中間層材料330と酸化剤ガスOGとで形成される三相界面の長さが長いことを意味し、三相界面の長さが長いことは、イオン化反応による酸化物イオンの生成量が多く、燃料電池単セルの発電効率が高いことを意味する。従って、空気極114と中間層300との連結度は、単セル110の発電効率を評価するためのパラメータの1つとして使用することができる。なお、次の理由により、連結度は50%以上であることが好ましい。図8には、連結度とIR抵抗値との関係を表すグラフが示されている。このグラフによれば、連結度が50%未満になると、空気極114と中間層300との間のIR抵抗値が極端に大きくなり、単セル110の発電効率が低下することが分かる。
(Measurement method of connectivity)
In the present embodiment, the degree of connection between the
また、三相界面の長さが長いことは、分析画像Mにおいて空気極材料310と中間層材料330との第1連結箇所R1の長さの合計が長いことを意味する。従って、空気極114と中間層300との連結度は、例えば、次の式(1)で表すことができる。
連結度(%)=((空気極材料310と中間層材料330との第1連結箇所R1の長さの合計)/(境界Bの長さ−イオン伝導性材料320と中間層材料330とが連結している第2連結箇所R2の長さの合計))×100 ・・・(1)
第1連結箇所R1は、単セル110の一部分(空気極114、中間層300)の上下方向(Z方向)に平行な少なくとも1つの断面(分析画像M)において、空気極材料310と中間層材料330とが連結している連結箇所であり、その連結箇所の長さが第1連結箇所R1の長さである。第2連結箇所R2は、単セル110の一部分(空気極114、中間層300)の上下方向(Z方向)に平行な少なくとも1つの断面(分析画像M)において、イオン伝導性材料320と中間層材料330とが連結している連結箇所であり、その連結箇所の長さが第2連結箇所R2の長さである。境界Bの長さは、分析画像Mにおいて境界Bであると推測される部分の長さである。
Further, the long length of the three-phase interface means that the total length of the first connecting portion R1 between the
Degree of connectivity (%) = ((total length of first connection point R1 between
The first connection portion R1 is the
(空気極材料310および中間層材料330の平均粒径と連結度との関係)
図9には、空気極材料310の平均粒径(P1〜P5)と中間層材料330の平均粒径(Q1〜Q5)との組み合わせの5つパターンと、連結度との関係を表すグラフが示されている。図10には、図9に示す5つのパターンについて、空気極材料310の平均粒径と中間層材料330の平均粒径との差(S1〜S5 (以下、単に「粒径差」ともいう))と、連結度との関係を表すグラフが示されている。
(Relationship between the average particle size of the
FIG. 9 shows a graph showing the relationship between the five patterns of the combination of the average particle size (P1 to P5) of the
第1パターン(P1,Q1)と他のパターンとを比較すると、第1パターンの各平均粒径P1,Q1および粒径差S1は最も小さい。その結果、第1パターンの連結度は最も高い。次に、第2パターン(P2,Q2)と第3パターン(P3,Q3)とを比較すると、中間層材料330の平均粒径は略同一であるが、空気極材料310の平均粒径は第2パターンの方が大きいため、第2パターンの粒径差S2は第3パターンの粒径差S3より小さい。その結果、第2パターンの連結度は第3パターンの連結度より高い。また、第2パターン(P2,Q2)と第5パターン(P5,Q5)とを比較すると、空気極材料310の平均粒径は略同一であるが、中間層材料330の平均粒径は第2パターンの方が小さいため、第2パターンの粒径差S2は第5パターンの粒径差S5より小さい。その結果、第2パターンの連結度は第5パターンの連結度より高い。これらの結果によれば、粒径差が小さいほど連結度が高くなっている。
Comparing the first pattern (P1, Q1) with other patterns, the average particle size P1, Q1 and the particle size difference S1 of the first pattern are the smallest. As a result, the degree of connection of the first pattern is the highest. Next, when the second pattern (P2, Q2) and the third pattern (P3, Q3) are compared, the average particle size of the
一方、第3パターン(P3,Q3)と第4パターン(P4,Q4)とを比較すると、両者の粒径差は略同一であるが、空気極材料310および中間層材料330の平均粒径のいずれも第3パターンの方が小さい。その結果、第3パターンの連結度は第4パターンの連結度より高い。この結果と上述の結果との両方を踏まえると、連結度を高くするには、粒径差と、空気極材料310および中間層材料330の各平均粒径とを総合的に考慮することが必要であることが分かる。つまり、連結度は、境界Bにおける空気極材料310と中間層材料330との凹凸具合と、空気極材料310と中間層材料330とがうまくかみ合うかによって変動する。そして、これらの凹凸具合およびかみ合い具合は、粒径差と、空気極材料310および中間層材料330の各平均粒径とによって制御することができることが分かる。
On the other hand, when the third pattern (P3, Q3) and the fourth pattern (P4, Q4) are compared, the difference in particle size between the two is substantially the same, but the average particle size of the
これに対して、本実施形態の単セル110の空気極114および中間層300は、上述した条件1〜条件3を満たしており、図9および図10の結果によれば、連結度を50%以上にすることができる。なお、連結度を55%以上にするための条件4〜6(第1パターンおよび第2パターンを含む条件)は次の通りである。
条件4:空気極材料310の平均粒径は、0.2μm以上、0.4μm以下である。
条件5:中間層材料330の平均粒径は、0.4μm以上、0.6μm以下である。
条件6:空気極材料310の平均粒径と中間層材料330の平均粒径との差は、0.1μm以上、0.25μm以下である。
On the other hand, the
Condition 4: The average particle size of the
Condition 5: The average particle size of the
Condition 6: The difference between the average particle size of the
(空気極材料310および中間層材料330の平均粒径の程度)
次に、空気極材料310および中間層材料330の平均粒径の程度について説明する。図11は、空気極材料310の平均粒径が中間層材料330の平均粒径に比べて極端に小さい状態を示した模式図であり、図12は、空気極材料310の平均粒径が中間層材料330の平均粒径に比べて極端に大きい状態を示した模式図である。なお、図11および図12では、イオン伝導性材料320が省略されている。
(Degree of average particle size of
Next, the degree of the average particle size of the
図11に示すように、空気極材料310の平均粒径が中間層材料330の平均粒径に比べて極端に小さいほど、第1連結箇所R1の面積が小さくなるため、連結度が低くなる。しかも、空気極材料310の平均粒径が極端に小さいと、空気極114内を酸化剤ガスOGが通過し難くなるため、イオン化反応による酸化物イオンの生成量が低下し、単セル110の発電効率が低下するおそれがある。
As shown in FIG. 11, as the average particle size of the
一方、図12に示すように、空気極材料310の平均粒径が中間層材料330の平均粒径に比べて極端に大きいほど、第1連結箇所R1の面積が小さくなるため、連結度が低くなる。ここで、LSCFのように、空気極材料310が電子導電性とイオン伝導性とを有する場合、中間層材料330が近傍に存在する境界B付近の空気極材料310の表面で生成された酸化物イオンだけでなく、中間層材料330が近傍に存在しない境界Bから離間した空気極材料310の表面で生成された酸化物イオンが、空気極材料310によって中間層300側に伝達される。このため、このように空気極材料310が電子導電性とイオン伝導性とを有する場合、空気極材料310がイオン伝導性を有しない場合に比べて、単セル110の発電効率が高くなる。そして、空気極材料310の表面の内、酸化剤ガスOGが通過する空間に露出する露出箇所H(他の粒子と接触していない箇所)の面積が大きいほど、多くの酸化物イオンが生成され中間層300側に伝達されるため、この中間層材料330が近傍に存在しない空気極材料310の表面で生成された酸化物イオンに基づく発電量が大きくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 12, as the average particle size of the
しかし、空気極材料310の平均粒径が極端に大きいと、上記露出箇所Hの面積が小さくなるため、中間層材料330が近傍に存在しない空気極材料310の表面で生成された酸化物イオンに基づく発電量が低下し、単セル110の発電効率が低下するおそれがある。以上より、空気極材料310の平均粒径は極端に大きかったり小さかったりすることは好ましくなく、空気極材料310の平均粒径は上述の条件1を満たすことが好ましい。また、中間層材料330の平均粒径は、空気極材料310の平均粒径との間で上述の条件3を満たしつつ、条件2を満たすことが好ましい。
However, if the average particle size of the
A−6.本実施形態の効果:
空気極材料310の平均粒径と中間層材料330の平均粒径との差が小さいほど、空気極材料310と中間層材料330とが連結する第1連結箇所R1の面積を大きくすることができる。一方、その粒径差を小さくしても、空気極材料310および中間層材料330の平均粒径が大きすぎると、第1連結箇所R1の面積を大きくすることができない。これに対して、本実施形態によれば、空気極材料310の平均粒径は、0.2μm以上、0.7μm以下であり、中間層材料330の平均粒径は、0.4μm以上、1μm以下であり、粒径差は、0.1μm以上、0.3μm以下である。これにより、例えば、空気極材料310の平均粒径が0.7μmより大きく、中間層材料330の平均粒径が条件1μmより大きく、粒径差が0.3μmより大きい場合に比べて、第1連結箇所R1の面積を大きくすることができるため、単セル110の発電効率を向上させることができる。
A-6. Effect of this embodiment:
The smaller the difference between the average particle size of the
また、空気極材料310の平均粒径が、中間層材料330の平均粒径より小さい。これにより、空気極材料310の平均粒径が、中間層材料330の平均粒径より大きい場合に比べて、空気極材料310の露出箇所Hの面積が大きいため、単セル110の発電効率を向上させることができる。
Further, the average particle size of 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。
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.
上記実施形態では、空気極として、空気極材料310に加えてイオン伝導性材料320を含む空気極114を例示したが、空気極は、これに限定されず、空気極材料310だけを含むものや、空気極材料310およびイオン伝導性材料320に加えて、さらに別の材料を含むものでもよい。また、空気極材料として、電子導電性とイオン伝導性とを有する空気極材料310を例示したが、空気極材料は、これに限定されず、イオン伝導性を有しないものでもよい。
In the above embodiment, as the air electrode, the
上記実施形態では、中間層として、1つの層から構成された中間層300を例示したが、中間層は、これに限定されず、上下方向(Z方向)に並ぶ複数の層から構成された中間層もよい。この場合、複数の層の内、空気極に隣接する層と、空気極とについて上記条件1〜3を満たせばよい。また、中間層は、反応防止層として機能するものに限定されず、反応防止層として機能しないものでもよい。また、中間層は、イオン伝導性を有する中間層材料に加えて、さらに別の材料を含むものでもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
Further, in the above embodiment, the number of
なお、本明細書において、平行とは、互いのなす角が−1度以上、1度以下であることを意味する。 In addition, in this specification, parallel means that the angle formed by each other is -1 degree or more and 1 degree or less.
また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。また、上記実施形態では、締結部材としてボルト22が用いられているが、ボルト22以外の他の締結部材により燃料電池スタック100が締結されるとしてもよい。
Further, in the above embodiment, it is assumed that the nuts 24 are fitted on both sides of the
また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the
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が挿入される連通孔108と別に設けてもよい。
Further, in the above embodiment, the space between the outer peripheral surface of the shaft portion of each
また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。
Further, in the above embodiment, when two
また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, the fuel pole side
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。 Further, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of another material.
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。 Further, in the above embodiment, the city gas is reformed to obtain a hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, and gasoline. Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.
上記実施形態では、燃料電池スタック100に本発明を適用した例を説明したが、これに限らず、発電単位102単体や、単セル110単体に本発明を適用することにより、中間層内の気孔に起因して燃料電池の発電効率が低下することを抑制することができる。
In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to the
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 45:粉末 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: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 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 300:中間層 310:空気極材料 320:イオン伝導性材料 330:中間層材料 B:境界 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス H:露出箇所 M:分析画像 OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス P1〜P5,Q1〜Q5:平均粒径 R1:第1連結箇所 R2:第2連結箇所 S1〜S5:粒径差 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 45: Powder 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112 : Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidizing agent gas supply communication hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air electrode Side current collector 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collector 145: Electrode facing part 146: 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 300: Intermediate layer 310: Air electrode material 320: Ion conductive material 330: Intermediate layer material B: Boundary FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas H: Exposed part M: Analytical image OG: Oxidizing agent gas OOG: Oxidizing agent off gas P1 to P5, Q1 to Q5: Average grains Diameter R1: First connection point R2: Second connection point S1 to S5: Particle size difference
Claims (4)
前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、
前記電解質層と前記空気極との間に配置される中間層と、を備える燃料電池単セルにおいて、
前記空気極に含まれる材料であって、電子導電性を有する空気極材料の平均粒径は、0.2μm以上、0.7μm以下であり、
前記中間層に含まれる材料であって、イオン伝導性を有する中間層材料の平均粒径は、0.4μm以上、1μm以下であり、
前記空気極材料の平均粒径と前記中間層材料の平均粒径との差は、0.1μm以上、0.3μm以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。 An electrolyte layer containing solid oxides and
With the air electrode and fuel electrode facing each other across the electrolyte layer,
In a fuel cell single cell including an intermediate layer arranged between the electrolyte layer and the air electrode.
The average particle size of the air electrode material contained in the air electrode and having electron conductivity is 0.2 μm or more and 0.7 μm or less.
The average particle size of the material contained in the intermediate layer and having ionic conductivity is 0.4 μm or more and 1 μm or less.
A fuel cell single cell, wherein the difference between the average particle size of the air electrode material and the average particle size of the intermediate layer material is 0.1 μm or more and 0.3 μm or less.
前記中間層材料は、SDCおよびGDCの少なくとも一方であることを特徴とする、燃料電池単セル。 The fuel cell single cell, characterized in that the intermediate layer material is at least one of SDC and GDC.
前記空気極材料は、電子導電性に加えてイオン伝導性を有し、
前記空気極材料の平均粒径は、前記中間層材料の平均粒径より小さいことを特徴とする、燃料電池単セル。 In the fuel cell single cell according to claim 1 or 2 .
The air electrode material has ionic conductivity in addition to electron conductivity.
A fuel cell single cell, characterized in that the average particle size of the air electrode material is smaller than the average particle size of the intermediate layer material.
前記複数の燃料電池単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の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。 In a fuel cell stack with multiple fuel cell single cells
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3 , wherein at least one of the plurality of fuel cell single cells is the fuel cell single cell according to any one of claims 1 to 3 .
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