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JP2018195414A - Electrochemical reaction single cell, electrochemical reaction cell stack, and method for producing electrochemical reaction single cell - Google Patents

Electrochemical reaction single cell, electrochemical reaction cell stack, and method for producing electrochemical reaction single cell Download PDF

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JP2018195414A JP2017096964A JP2017096964A JP2018195414A JP 2018195414 A JP2018195414 A JP 2018195414A JP 2017096964 A JP2017096964 A JP 2017096964A JP 2017096964 A JP2017096964 A JP 2017096964A JP 2018195414 A JP2018195414 A JP 2018195414A
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Abstract

【課題】固体酸化物形の燃料電池(SOFC)において、電解質層の厚さが過度に厚くなることによるIR抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制して、電気化学反応単セルの性能の低下を抑制する電気化学反応セルの提供。【解決手段】電気化学反応単セル、固体酸化物を含む電解質層112と、電解質層112の第1の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極116と、電解質層112の第1の方向の他方側に配置された多孔質な空気極114とを備え、燃料極116と空気極114との一方である特定電極における電解質層112に対向する表面の表面粗さRzは、30μm以下である電気化学反応セル。特定電極における電解質112側の部分の開口率が5〜35%未満である電気化学反応セル。電解質層112は固体酸化物として、イットリア安定化シルコニアを含み、その厚さが20μm以下である、電気化学セル。【選択図】図6A solid oxide fuel cell (SOFC) suppresses an increase in IR resistance due to an excessively large thickness of an electrolyte layer, while suppressing gas leakage due to a decrease in the density of the electrolyte layer. Provided is an electrochemical reaction cell that suppresses the deterioration of the performance of the electrochemical reaction single cell. An electrochemical reaction single cell, an electrolyte layer containing a solid oxide, a porous fuel electrode arranged on one side of the electrolyte layer in a first direction, and a first electrode of the electrolyte layer 112. And a porous air electrode 114 disposed on the other side in the direction, and the surface roughness Rz of the surface of the specific electrode, which is one of the fuel electrode 116 and the air electrode 114, facing the electrolyte layer 112 is 30 μm or less. An electrochemical reaction cell. An electrochemical reaction cell in which the aperture ratio of a portion of the specific electrode on the electrolyte 112 side is less than 5 to 35%. The electrolyte layer 112 is an electrochemical cell including yttria-stabilized zirconia as a solid oxide and having a thickness of 20 μm or less. [Selection diagram] Fig. 6

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 technology disclosed by the present specification relates to an electrochemical reaction unit cell.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の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、「単セル」という)は、例えばイットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」という)等の固体酸化物を含む電解質層と、電解質層の一方側に配置された多孔質な燃料極と、電解質層の他方側に配置された多孔質な空気極とを備える。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”) which is a constituent unit of SOFC includes an electrolyte layer containing a solid oxide such as yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as “YSZ”), and one side of the electrolyte layer. And a porous air electrode disposed on the other side of the electrolyte layer.

電解質層は、例えば、電解質層用のペーストを焼成することにより形成される。あるいは、電解質層は、燃料極または空気極を下地層として、スパッタプロセス等の気相法による成膜を行うことにより形成される(例えば、非特許文献1参照)。   The electrolyte layer is formed, for example, by firing a paste for the electrolyte layer. Alternatively, the electrolyte layer is formed by performing film formation by a vapor phase method such as a sputtering process using a fuel electrode or an air electrode as a base layer (see, for example, Non-Patent Document 1).

見市知昭、外2名、「高周波マグネトロンスパッタリング法による固体酸化物形燃料電池の作成−単セルのアニール処理温度依存性−」、J.Vac.Soc.Jpn.(真空)、平成16年2月14日、Vol.47,No.3,2004、P.128(36)−131(39)Tomoaki Miichi and two others, “Preparation of Solid Oxide Fuel Cell by High Frequency Magnetron Sputtering Method—Dependence on Annealing Temperature of Single Cell”, J. Vac. Soc. Jpn. (Vacuum), February 14, 2004, Vol. 47, no. 3, 2004, p. 128 (36) -131 (39)

単セルにおいて、電解質層の厚さを厚くすると、電解質層のIR抵抗が増大して単セルの性能が低下する。そのため、電解質層の厚さが過大となることは好ましくない。しかしながら、電解質層を薄くすると、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下し、ガスリークが発生して単セルの性能が低下するおそれがある。このように、従来の技術では、IR抵抗の増大およびガスリークの発生による単セルの性能低下を抑制するという点で、向上の余地がある。   In a single cell, when the thickness of the electrolyte layer is increased, the IR resistance of the electrolyte layer is increased and the performance of the single cell is lowered. Therefore, it is not preferable that the thickness of the electrolyte layer is excessive. However, when the electrolyte layer is made thin, the density of the electrolyte layer is reduced due to the occurrence of a defective portion in the electrolyte layer, etc., and there is a possibility that gas leak occurs and the performance of the single cell is lowered. As described above, the conventional technique has room for improvement in terms of suppressing the deterioration of the performance of the single cell due to the increase in IR resistance and the occurrence of gas leak.

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問題である。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。  Such a problem is also a problem common to electrolytic single cells, which are constituent units of solid oxide electrolytic cells (hereinafter referred to as “SOEC”) that generate hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is. In the present specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis unit cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit 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。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

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 technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, 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、前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極における前記電解質層に対向する表面の表面粗さRzは、30μm以下である。本電気化学反応単セルによれば、特定電極における電解質層に対向する表面の表面粗さRzが比較的小さいことから、特定電極の該表面が、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となっている。そのため、本電気化学反応単セルでは、電解質層の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下すること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、電解質層の厚さが過度に厚くなることによるIR抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (1) An electrochemical reaction unit cell disclosed in this specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, a porous fuel electrode disposed on one side in a first direction of the electrolyte layer, and the electrolyte. An electrochemical reaction unit cell comprising a porous air electrode disposed on the other side of the first direction of the layer, facing the electrolyte layer in a specific electrode that is one of the fuel electrode and the air electrode The surface roughness Rz of the surface is 30 μm or less. According to the present electrochemical reaction single cell, since the surface roughness Rz of the surface of the specific electrode facing the electrolyte layer is relatively small, the surface of the specific electrode has a relatively low height of the convex portion, and The depth of the recess is a relatively shallow surface. Therefore, in this electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress a decrease in denseness due to the occurrence of a defective portion in the electrolyte layer without excessively increasing the thickness of the electrolyte layer. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, while suppressing an increase in IR resistance due to an excessive increase in the thickness of the electrolyte layer, it is possible to suppress the occurrence of gas leak due to a decrease in the density of the electrolyte layer. As a result, it can suppress that the performance of an electrochemical reaction single cell falls.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極における前記電解質層側の部分の開口率は、5%より高く、かつ、35%未満である構成としてもよい。特定電極における電解質層側の部分の開口率が過度に高いと、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下し、ガスリークが発生するおそれがある。反対に、特定電極における電解質層側の部分の開口率が過度に低いと、特定電極のガス拡散抵抗が増大するおそれがある。本電気化学反応単セルによれば、特定電極における電解質層側の部分の開口率が過度に高くなることも過度に低くなることも回避することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (2) The electrochemical reaction single cell may have a configuration in which the opening ratio of the portion on the electrolyte layer side of the specific electrode is higher than 5% and lower than 35%. If the aperture ratio of the portion on the electrolyte layer side of the specific electrode is excessively high, there is a possibility that a defect portion is formed in the electrolyte layer and the denseness is lowered and gas leakage occurs. On the other hand, if the aperture ratio of the portion on the electrolyte layer side of the specific electrode is excessively low, the gas diffusion resistance of the specific electrode may increase. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to avoid that the opening ratio of the portion on the electrolyte layer side of the specific electrode becomes excessively high or excessively low, and as a result, the performance of the electrochemical reaction single cell. Can be suppressed.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層は、前記固体酸化物としてのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を含む構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、YSZを含む電解質層について、電解質層の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層の緻密性を確保することができ、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer may include yttria-stabilized zirconia (YSZ) as the solid oxide. According to the present electrochemical reaction unit cell, the electrolyte layer containing YSZ can ensure the denseness of the electrolyte layer while suppressing the electrolyte layer from becoming excessively thick. It can suppress that the performance of this falls.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の方向における前記電解質層の厚さは、20μm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、電解質層の厚さが過度に厚くなることに起因してIR抵抗が増大することを抑制することができ、その結果、単電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the thickness of the electrolyte layer in the first direction may be 20 μm or less. According to this electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress an increase in IR resistance due to an excessively thick electrolyte layer, and as a result, the performance of the single electrochemical reaction single cell is improved. It can suppress that it falls.

(5)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層における粒子の成長方向は、前記特定電極の前記電解質層に対向する表面に対して、75度以上、90度以下の傾斜角度を有する方向である構成としてもよい。電解質層における粒子の成長方向の、特定電極の電解質層に対向する表面に対する傾斜角度が過度に小さいと、電解質層における第1の方向への酸素イオンの移動が電解質層における粒界によって阻害され、酸素イオン輸送効率が低下し、電気化学反応単セルの性能が低下するおそれがある。本電気化学反応単セルによれば、電解質層における粒子の成長方向の、特定電極の電解質層に対向する表面に対する傾斜角度が過度に小さくなることを回避することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction single cell, the growth direction of the particles in the electrolyte layer is a direction having an inclination angle of 75 degrees or more and 90 degrees or less with respect to the surface of the specific electrode facing the electrolyte layer. It is good also as a certain structure. When the inclination angle of the particle growth direction in the electrolyte layer with respect to the surface of the specific electrode facing the electrolyte layer is excessively small, the movement of oxygen ions in the first direction in the electrolyte layer is inhibited by the grain boundaries in the electrolyte layer, There is a possibility that the oxygen ion transport efficiency is lowered and the performance of the electrochemical reaction single cell is lowered. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to avoid an excessively small inclination angle of the growth direction of the particles in the electrolyte layer with respect to the surface of the specific electrode facing the electrolyte layer. It can suppress that the performance of a single cell falls.

(6)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層を対象とし、CoKα線を用いたXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg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、このFWHMが過度に大きいと、電解質層を構成する粒子が過度に小さいこととなり、電解質層における酸素イオン輸送効率が低下し、電気化学反応単セルの性能が低下するおそれがある。本電気化学反応単セルによれば、このFWHMが過度に大きくなることを回避することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (6) In the above electrochemical reaction single cell, the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement using the CoKα ray for the electrolyte layer may be 0.2 deg or less. According to this electrochemical reaction unit cell, when this FWHM is excessively large, particles constituting the electrolyte layer are excessively small, the oxygen ion transport efficiency in the electrolyte layer is reduced, and the performance of the electrochemical reaction unit cell is reduced. May decrease. According to this electrochemical reaction single cell, it can avoid that this FWHM becomes large too much, As a result, it can suppress that the performance of an electrochemical reaction single cell falls.

(7)上記電気化学反応単セルにおいて、さらに、前記特定電極に対して前記電解質層とは反対側に配置され、前記電気化学反応単セルを支持する多孔質な金属支持体を備える構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、金属支持体に支持された特定電極上に形成される電解質層の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層の緻密性を確保することができ、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (7) The electrochemical reaction unit cell may further include a porous metal support that is disposed on the side opposite to the electrolyte layer with respect to the specific electrode and supports the electrochemical reaction unit cell. Good. According to this electrochemical reaction single cell, it is possible to ensure the denseness of the electrolyte layer while suppressing an excessively thick electrolyte layer formed on the specific electrode supported by the metal support. It can suppress that the performance of an electrochemical reaction single cell falls.

(8)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単セルを備え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、上記電気化学反応単セルであることを特徴とする。本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックに含まれる少なくとも1つの電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (8) An electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification is an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction unit cells arranged side by side in the first direction. At least one of the cells is the above electrochemical reaction single cell. According to this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress a decrease in the performance of at least one electrochemical reaction single cell included in the electrochemical reaction cell stack.

(9)本明細書に開示される電気化学反応単セルの製造方法は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルの製造方法において、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極であって、一の表面の表面粗さRzが30μm以下である前記特定電極を準備する工程と、前記特定電極の前記一の表面に、気相法により前記電解質層を形成する工程と、前記電解質層の前記特定電極に対向する側とは反対側に、前記燃料極と前記空気極との他方の電極を形成する工程と、を備える。本電気化学反応単セルの製造方法では、特定電極の該一の表面に気相法により電解質層を形成する際に、電解質層の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、本電気化学反応単セルの製造方法によれば、電解質層の厚さが過度に厚くなることによるIR抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。 (9) A method for producing an electrochemical reaction unit cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and a porous fuel electrode disposed on one side in the first direction of the electrolyte layer. A specific electrode that is one of the fuel electrode and the air electrode in a method for producing an electrochemical reaction single cell comprising a porous air electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction. A step of preparing the specific electrode having a surface roughness Rz of 30 μm or less, a step of forming the electrolyte layer on the surface of the specific electrode by a vapor phase method, Forming the other electrode of the fuel electrode and the air electrode on a side opposite to the side facing the specific electrode of the electrolyte layer. In this method for producing an electrochemical reaction single cell, when an electrolyte layer is formed on the one surface of a specific electrode by a vapor phase method, a defect portion is not formed in the electrolyte layer without excessively increasing the thickness of the electrolyte layer. It is possible to suppress the reduction of the denseness due to the occurrence of the above. Therefore, according to the manufacturing method of the electrochemical reaction single cell, the increase in the IR resistance due to the excessive increase in the thickness of the electrolyte layer is suppressed, and the occurrence of gas leak due to the decrease in the denseness of the electrolyte layer is prevented. As a result, it can suppress that the performance of an electrochemical reaction single cell falls.

(10)上記電気化学反応単セルの製造方法において、前記気相法は、スパッタプロセスであることを特徴とする構成としてもよい。スパッタプロセスは、蒸着法等の他の気相法に比べ、膜を形成する粒子の持つエネルギーが大きい。そのため、本電気化学反応単セルの製造方法によれば、特定電極の表面への付着力の強い電解質層を形成することができ、その結果、電解質層の緻密性をより確実に確保することができ、電気化学反応単セルの性能が低下することをより効果的に抑制することができる。 (10) In the method for manufacturing an electrochemical reaction single cell, the gas phase method may be a sputtering process. In the sputtering process, the energy of the particles forming the film is larger than that in other vapor phase methods such as vapor deposition. Therefore, according to the method for manufacturing an electrochemical reaction single cell, an electrolyte layer having strong adhesion to the surface of a specific electrode can be formed, and as a result, the denseness of the electrolyte layer can be more reliably ensured. It can suppress more effectively that the performance of an electrochemical reaction single cell falls.

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 technology disclosed in this specification can be realized in various forms. For example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), 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), a manufacturing method thereof, and the like.

第1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る。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in a first 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である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in 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である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 1. 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る。It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in 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である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 単セル110における燃料極116と電解質層112と空気極114の界面の詳細構成を示す説明図である。2 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of an interface of a fuel electrode 116, an electrolyte layer 112, and an air electrode 114 in a single cell 110. FIG. 単セル110の電解質層112の構成を示す説明図である。3 is an explanatory diagram showing a configuration of an electrolyte layer 112 of a single cell 110. FIG. 単セル110の電解質層112を対象としたXRD測定の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of the XRD measurement which made the electrolyte layer 112 of the single cell 110 object. 第1実施形態における単セル110の製造方法の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the manufacturing method of the single cell 110 in 1st Embodiment. 第2実施形態における電解セルスタック100aの外観構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance structure of the electrolytic cell stack 100a in 2nd Embodiment. 図10のXI−XIの位置における電解セルスタック100aのXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the electrolytic cell stack 100a in the position of XI-XI of FIG. 図10のXII−XIIの位置における電解セルスタック100aのYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the electrolytic cell stack 100a in the position of XII-XII of FIG. 図11に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解単位102aのXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the two electrolysis units 102a adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 図12に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解単位102aのYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electrolysis units 102a adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 第2実施形態における単セル110aの製造方法の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the manufacturing method of the single cell 110a in 2nd Embodiment. ガスリーク特性評価の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of gas leak characteristic evaluation. 電気的特性評価の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of electrical property evaluation.

A.第1実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
本願発明の第1実施形態として、本願発明を燃料電池スタック100を構成する燃料電池単セル110に適用した場合について説明する。図1は、第1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。また、本明細書では、Z軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
A. First embodiment:
A-1. Device configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
As a first embodiment of the present invention, the case where the present invention is applied to a single fuel cell 110 constituting a fuel cell stack 100 will be described. FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the first embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position of III-III in FIG. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG. In this specification, a direction perpendicular to the Z-axis direction is referred to as a plane direction.

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 fuel cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as “power generation units”) 102 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 the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

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 (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100. 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 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。   Bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the communication holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22. 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 constituting 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 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, in a place where a gas passage member 27 described later is provided, an insulating sheet disposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106 on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 is interposed. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder 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, the fuel cell stack 100 is located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction. The space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated by each power generation. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path to be supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (X-axis negative direction side of two sides parallel to the Y-axis) The space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located in the vicinity and the communication holes 108 through which the bolts 22B are inserted contains the oxidant off-gas OOG that is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. Burning Functions as the oxidizing gas discharging manifold 162 for discharging to the outside of the cell stack 100. In the present 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 Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) positioned at the position and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. Bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located in the vicinity of the midpoint of the opposite side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). The space formed by the (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack 1 that uses the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 as the fuel cell stack 1 Functions as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the 0. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

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 portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. The hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 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 portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> B that forms 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 portion 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 the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> E 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、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。
(Configuration of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. 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。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram 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 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units.

図4および図5に示すように、発電単位102は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)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 power generation unit 102 includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”) 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, and an air electrode side current collector 134. The fuel electrode side frame 140, the fuel electrode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102 are provided. The separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the periphery of the interconnector 150 around the Z direction are formed with holes corresponding to the communication holes 108 through which the bolts 22 are inserted.

インターコネクタ150は、Z軸方向に略直交する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 interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member that is substantially orthogonal to the Z-axis direction, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed 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 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 the pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include 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のZ軸方向一方側(下側)に配置された燃料極116と、電解質層のZ軸方向他方側(上側)に配置された空気極114と、燃料極116に対して電解質層112とは反対側(下側)に配置された金属支持体118とを備える。   The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, a fuel electrode 116 disposed on one side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and an air electrode 114 disposed on the other side (upper side) of the electrolyte layer in the Z-axis direction. And a metal support 118 disposed on the opposite side (lower side) of the electrolyte layer 112 with respect to the fuel electrode 116.

金属支持体118は、Z軸方向視で略矩形の平板状の多孔質な部材である。金属支持体118は、金属(例えば、熱膨張係数がYSZと比較的近いフェライト系ステンレス)により形成されている。金属支持体118の気孔率は、例えば、20〜70%である。金属支持体118は、ガス透過性および導電性を有しつつ、単セル110を支持する(すなわち、単セル110の機械的強度を確保する)。このように、本実施形態の単セル110は、金属支持体118によって単セル110の機械的強度を確保する、いわゆる金属支持型(メタルサポート型)の単セルである。金属支持型の単セルは、他のタイプ(例えば燃料極支持型)の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。金属支持体118の厚さは、単セル110を構成する他の層の厚さより厚いことが好ましく、例えば、200μm〜1000μmであることが好ましい。   The metal support 118 is a substantially rectangular flat plate-like porous member as viewed in the Z-axis direction. The metal support 118 is made of metal (for example, ferritic stainless steel having a thermal expansion coefficient relatively close to that of YSZ). The porosity of the metal support 118 is, for example, 20 to 70%. The metal support 118 supports the single cell 110 while having gas permeability and conductivity (that is, ensuring the mechanical strength of the single cell 110). As described above, the single cell 110 according to this embodiment is a so-called metal support type (metal support type) single cell in which the mechanical strength of the single cell 110 is secured by the metal support 118. Compared with other types (for example, fuel electrode support type) single cells, metal-supported single cells are less prone to cracking due to thermal shock and have high startability. The thickness of the metal support 118 is preferably thicker than the thicknesses of the other layers constituting the single cell 110, and is preferably 200 μm to 1000 μm, for example.

燃料極116は、Z軸方向視で金属支持体118より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。本実施形態では、燃料極116は、電解質層112を成膜する際の下地層となる下地層電極として機能する。燃料極116は、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子(例えば、YSZ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。燃料極116の気孔率は、例えば、20〜50%である。燃料極116の下側の表面は略平面であり、その略全体が、同じく略平面である金属支持体118の上側の表面に接している。   The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped porous member smaller than the metal support 118 as viewed in the Z-axis direction. In the present embodiment, the fuel electrode 116 functions as a base layer electrode that serves as a base layer when forming the electrolyte layer 112. The fuel electrode 116 is made of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles (for example, YSZ particles), Ni-based alloy, or the like. The porosity of the fuel electrode 116 is, for example, 20 to 50%. The lower surface of the fuel electrode 116 is substantially flat, and substantially the entire surface is in contact with the upper surface of the metal support 118 that is also substantially flat.

電解質層112は、膜状の緻密な部材である。本実施形態では、電解質層112は、燃料極116における上側の表面と、金属支持体118における上側の表面の内、燃料極116に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層112は、例えば、固体酸化物であるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)により形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。電解質層112は、緻密層であるため、気孔が存在しないことが好ましい。また、電解質層112に気孔が存在する場合であっても、電解質層112内をガスが通過しないために、電解質層112を貫通する気孔が存在しなければよい。   The electrolyte layer 112 is a film-like dense member. In the present embodiment, the electrolyte layer 112 is formed so as to continuously cover the upper surface of the fuel electrode 116 and the region of the upper surface of the metal support 118 that is not covered by the fuel electrode 116. Yes. The electrolyte layer 112 is made of, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia) which is a solid oxide. Thus, the single cell 110 of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte. Since the electrolyte layer 112 is a dense layer, it is preferable that no pores exist. Further, even when pores exist in the electrolyte layer 112, the gas does not pass through the electrolyte layer 112, so that the pores penetrating the electrolyte layer 112 do not have to exist.

空気極114は、Z軸方向視で金属支持体118より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。本実施形態では、空気極114は、下地層(燃料極116)上に成膜された電解質層112に対向する対向電極として機能する。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。空気極114の気孔率は、例えば、20〜50%である。   The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped porous member smaller than the metal support 118 as viewed in the Z-axis direction. In the present embodiment, the air electrode 114 functions as a counter electrode facing the electrolyte layer 112 formed on the base layer (fuel electrode 116). The air electrode 114 is made of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). The porosity of the air electrode 114 is, for example, 20 to 50%.

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を取り囲む部分は、電解質層112における上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、緻密な電解質層112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-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The portion surrounding the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral edge of the upper surface of the electrolyte layer 112. The separator 120 is bonded to the dense electrolyte layer 112 by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion 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-like member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of an insulator such as mica, for example. The hole 131 of the air electrode side frame 130 forms an air chamber 166 that faces the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. . The pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130. The air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply communication hole 132 communicating the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and an oxidant gas communicating 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-like member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置された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。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とを電気的に接続する。   The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135 disposed in the air chamber 166, and is made of, 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 facing the air electrode 114. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 are electrically connected.

燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素145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。燃料極側集電体144は、金属支持体118における燃料極116に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における金属支持体118に対向する側の表面とに接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、金属支持体118とインターコネクタ150とを電気的に接続する。   The fuel electrode side current collector 144 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 145 arranged in the fuel chamber 176, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The fuel electrode side current collector 144 is in contact with the surface of the metal support 118 opposite to the side facing the fuel electrode 116 and the surface of the interconnector 150 facing the metal support 118. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the metal support 118 and the interconnector 150 are electrically connected.

なお、本実施形態では、空気極側集電体134と燃料極側集電体144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として機能し、該平板形の部分から金属支持体118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145が燃料極側集電体144として機能する。   In the present embodiment, the air electrode side current collector 134, the fuel electrode side current collector 144, and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integrated member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude from the flat plate portion toward the air electrode 114. The current collector element 135, which is a plurality of convex portions, functions as the air electrode side current collector 134, and is a plurality of convex portions formed so as to protrude from the flat plate portion toward the metal support 118. The current collector element 145 functions as the fuel electrode side current collector 144.

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 the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through 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 branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the oxidant 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 through 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 branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel chamber 176 is supplied through the hole 142.

各発電単位102の空気室166に供給された酸化剤ガスOGが多孔質な空気極114内に進入し、燃料室176に供給された燃料ガスFGが多孔質な金属支持体118の内部を通って多孔質な燃料極116内に進入すると、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、金属支持体118および燃料極側集電体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。   The oxidant gas OG supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 enters the porous air electrode 114, and the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 passes through the inside of the porous metal support 118. When entering the porous fuel electrode 116, the single cell 110 generates power by an electrochemical reaction between oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected to the metal support 118 and the fuel electrode side. It is electrically connected to the other interconnector 150 via the current collector 144. The plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (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。   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 via the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. The fuel cell stack 100 is connected to the branch portion 29 via a gas pipe (not shown) through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162. Is discharged outside. 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 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further to the fuel gas. The gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172 passes through the body portion 28 and the branch portion 29 and passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 to the outside of the fuel cell stack 100. Discharged.

A−3.単セル110の詳細構成:
次に、本実施形態の単セル110の詳細構成について説明する。図6は、単セル110における燃料極116と電解質層112と空気極114の界面の詳細構成を示す説明図である。図6には、図4のX1部のXZ断面構成が拡大して示されている。また、図7は、単セル110の電解質層112の構成を示す説明図である。図7の(A)は、Z軸方向に略平行な電解質層112の断面のSEM画像であり、図7の(B)には、該SEM画像に後述する粒成長界面BLを追記したものである。なお、図7の(A)および(B)における燃料極116を表す領域は、気孔構造を明確化するためにSEM画像を二値化したものである。
A-3. Detailed configuration of the single cell 110:
Next, a detailed configuration of the single cell 110 according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the interfaces of the fuel electrode 116, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114 in the single cell 110. FIG. 6 is an enlarged view of the XZ cross-sectional configuration of the portion X1 in FIG. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the configuration of the electrolyte layer 112 of the single cell 110. 7A is an SEM image of a cross section of the electrolyte layer 112 substantially parallel to the Z-axis direction, and FIG. 7B is obtained by adding a grain growth interface BL described later to the SEM image. is there. In addition, the area | region showing the fuel electrode 116 in (A) and (B) of FIG. 7 is a binarized SEM image in order to clarify the pore structure.

本実施形態の単セル110では、電解質層112の厚さT1は20μm以下である。すなわち、本実施形態の単セル110では、電解質層112は比較的薄い。なお、電解質層112の厚さT1は、以下のように特定される。図6に示すように、Z軸方向に略平行な単セル110の割断面において、燃料極116における電解質層112に対向する側の表面(以下、「第1の表面SU1」という)の最小二乗法による平均線(以下、「燃料極表面平均線AL1」という)と、電解質層112における空気極114に対向する側の表面(以下、「第2の表面SU2」という)の最小二乗法による平均線(以下、「電解質層表面平均線AL2」という)とを特定する。燃料極表面平均線AL1と電解質層表面平均線AL2との間の最短距離を、電解質層112の厚さT1とする。   In the single cell 110 of the present embodiment, the thickness T1 of the electrolyte layer 112 is 20 μm or less. That is, in the single cell 110 of this embodiment, the electrolyte layer 112 is relatively thin. The thickness T1 of the electrolyte layer 112 is specified as follows. As shown in FIG. 6, in the split section of the unit cell 110 substantially parallel to the Z-axis direction, the minimum two surfaces of the fuel electrode 116 on the side facing the electrolyte layer 112 (hereinafter referred to as “first surface SU1”). The average of the average line by multiplication (hereinafter referred to as “fuel electrode surface average line AL1”) and the surface of the electrolyte layer 112 facing the air electrode 114 (hereinafter referred to as “second surface SU2”) by the method of least squares. A line (hereinafter referred to as “electrolyte layer surface average line AL2”) is specified. The shortest distance between the fuel electrode surface average line AL1 and the electrolyte layer surface average line AL2 is defined as the thickness T1 of the electrolyte layer 112.

また、本実施形態の単セル110では、電解質層112は、粒成長方向D1に延びる柱状結晶の粒子PAにより構成されている。なお、本明細書において、粒子PAが柱状であるとは、粒成長方向D1に直交する方向の粒子サイズL2に対する粒成長方向D1の粒子サイズL1の比(L1/L2)が1.3以上であることを意味する。   In the single cell 110 of the present embodiment, the electrolyte layer 112 is composed of columnar crystal particles PA extending in the grain growth direction D1. In this specification, the particle PA is columnar when the ratio (L1 / L2) of the particle size L1 in the grain growth direction D1 to the particle size L2 in the direction orthogonal to the grain growth direction D1 is 1.3 or more. It means that there is.

ここで、電解質層112を構成する粒子PAの粒成長方向D1は、以下のように特定される。図7(A)に示すように、Z軸方向に略平行な単セル110の割断面のSEM画像を観察して、図7(B)に示すように、電解質層112を構成する各粒子PAの粒成長界面BLを特定する。また、図6に示すように、電解質層112を構成する各粒子PAについて、一方の粒成長界面BL1と燃料極表面平均線AL1および電解質層表面平均線AL2との交点を、それぞれ、第1の交点P1および第2の交点P2とし、他方の粒成長界面BL2と燃料極表面平均線AL1および電解質層表面平均線AL2との交点を、それぞれ、第3の交点P3および第4の交点P4とする。第1の交点P1と第3の交点P3とを結ぶ線分の中点MP1から、第2の交点P2と第4の交点P4とを結ぶ線分の中点MP2に向かう方向を、粒成長方向D1とする。   Here, the grain growth direction D1 of the particles PA constituting the electrolyte layer 112 is specified as follows. As shown in FIG. 7A, an SEM image of a split section of the single cell 110 that is substantially parallel to the Z-axis direction is observed, and as shown in FIG. 7B, each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is formed. The grain growth interface BL is identified. In addition, as shown in FIG. 6, for each particle PA constituting the electrolyte layer 112, the intersections of one grain growth interface BL1, the fuel electrode surface average line AL1, and the electrolyte layer surface average line AL2 are respectively set to the first The intersection point P1 and the second intersection point P2, and the intersection point of the other grain growth interface BL2, the fuel electrode surface average line AL1, and the electrolyte layer surface average line AL2 are defined as a third intersection point P3 and a fourth intersection point P4, respectively. . The direction from the midpoint MP1 of the line connecting the first intersection P1 and the third intersection P3 toward the midpoint MP2 of the line connecting the second intersection P2 and the fourth intersection P4 is the grain growth direction. Let D1.

また、本実施形態の単セル110では、電解質層112を構成する各粒子PAについて、燃料極116の第1の表面SU1(燃料極表面平均線AL1)に対する粒成長方向D1の傾斜角度(以下、「傾斜角度θ」という、ただし0度≦θ≦90度)は、概ね同じ値となっている。すなわち、本実施形態の単セル110では、電解質層112を構成する各粒子PAの粒成長方向D1が概ね同じ方向となっている。なお、本明細書において、各粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θが概ね同じ値であるとは、粒子PA間の粒成長方向D1の傾斜角度θの差が±10度以内であることを意味する。なお、本実施形態の単セル110では、電解質層112を構成する各粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θは、75度以上、90度以下となっている。   Further, in the single cell 110 of the present embodiment, for each particle PA constituting the electrolyte layer 112, an inclination angle (hereinafter, referred to as a grain growth direction D1) with respect to the first surface SU1 (fuel electrode surface average line AL1) of the fuel electrode 116. “Inclination angle θ” (where 0 ° ≦ θ ≦ 90 °) is substantially the same value. That is, in the single cell 110 of this embodiment, the grain growth direction D1 of each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is substantially the same direction. In the present specification, the inclination angle θ in the grain growth direction D1 of each particle PA being substantially the same value means that the difference in the inclination angle θ in the grain growth direction D1 between the particles PA is within ± 10 degrees. Means. In the single cell 110 of this embodiment, the inclination angle θ in the grain growth direction D1 of each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is not less than 75 degrees and not more than 90 degrees.

このような構成の電解質層112は、後述するように、燃料極116(または空気極114)を下地層としてスパッタプロセス等の気相法により電解質層112を形成することにより実現される。電解質層112を気相法により形成すると、電解質層112を構成する複数の粒子PAのほとんど(例えば、80%以上)について、粒子PAの形状が柱状となり、各粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θが概ね同じ値となる。すなわち、電解質層112を構成する複数の粒子PAのほとんど(例えば、80%以上)について、粒子PAの形状が柱状であること、および/または、各粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θが概ね同じ値であることと、電解質層112が気相法により形成されたこととは、技術的に同義であると言える。   As described later, the electrolyte layer 112 having such a configuration is realized by forming the electrolyte layer 112 by a vapor phase method such as a sputtering process using the fuel electrode 116 (or the air electrode 114) as a base layer. When the electrolyte layer 112 is formed by a vapor phase method, the shape of the particle PA becomes columnar for most of the plurality of particles PA (for example, 80% or more) constituting the electrolyte layer 112, and the inclination of the particle growth direction D1 of each particle PA is increased. The angle θ is approximately the same value. That is, for most (for example, 80% or more) of the plurality of particles PA constituting the electrolyte layer 112, the shape of the particles PA is columnar and / or the inclination angle θ in the grain growth direction D1 of each particle PA is It can be said that technically synonymous with substantially the same value and that the electrolyte layer 112 is formed by the vapor phase method.

また、本実施形態の単セル110では、燃料極116における電解質層112に対向する側の表面(第1の表面SU1)の表面粗さ(最大高さ粗さ)Rzは、30μm以下である。なお、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは、以下のように特定することができる。燃料極116のZ軸方向に平行な断面(例えば、図6に示すXZ断面)における面方向の幅が20μmの視野範囲において、最小二乗法により第1の表面SU1の平均線(燃料極表面平均線AL1)を求め、該平均線を基準とした1〜5番目に高い山頂の高さ(山頂と該平均線との間の距離)の平均値と、該平均線を基準とした1〜5番目に深い谷底の深さ(谷底と該平均線との間の距離)の平均値とを求め、両平均値の和を表面粗さRzとする。本実施形態の単セル110では、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzが比較的小さいため、燃料極116の第1の表面SU1は、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面であると言える。   In the unit cell 110 of the present embodiment, the surface roughness (maximum height roughness) Rz of the surface (first surface SU1) on the side facing the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is 30 μm or less. The surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 can be specified as follows. In the field of view in which the width in the plane direction of the cross section parallel to the Z-axis direction of the fuel electrode 116 (for example, the XZ cross section shown in FIG. 6) is 20 μm, the average line of the first surface SU1 (fuel electrode surface average Line AL1), and the average value of the heights of the first to fifth highest peaks (the distance between the peak and the average line) relative to the average line, and 1 to 5 based on the average line The average value of the depth of the deepest valley bottom (the distance between the valley bottom and the average line) is obtained, and the sum of both average values is defined as the surface roughness Rz. In the unit cell 110 of the present embodiment, the surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is relatively small. Therefore, the height of the convex portion of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is relatively low. And it can be said that it is a surface where the depth of a recessed part is comparatively shallow.

なお、燃料極116上に電解質層112を成膜した後の状態では、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは、FIB−SEMを用いて単セル110の断面を3D像構築し、該断面を解析することにより特定することができるが、クロスセクションポリッシャ加工(イオンミリング加工やイオンポリッシング加工とも呼ばれる)後の断面SEM画像を観察することにより特定することもできる。なお、電解質層112を成膜する前の状態では、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは、通常の接触式表面粗さ計や非接触式表面形状測定装置を用いて特定することができる。   In the state after the electrolyte layer 112 is formed on the fuel electrode 116, the surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is a 3D image of the cross section of the single cell 110 using FIB-SEM. The cross section polisher processing (also called ion milling processing or ion polishing processing) can also be specified by observing a cross-sectional SEM image after analyzing the cross section. In addition, in the state before forming the electrolyte layer 112, the surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is specified using a normal contact-type surface roughness meter or a non-contact-type surface shape measuring device. can do.

また、本実施形態の単セル110では、燃料極116における電解質層112側の部分(以下、「電解質層側部分R1」という)の開口率(気孔率)は、5%より高く、かつ、35%未満である。なお、燃料極116における電解質層側部分R1とは、上述した表面粗さRzの特定に用いられた1〜5番目に高い山頂の高さの平均の位置を通り、かつ、Z軸に直交する第1の仮想線VL1と、第1の仮想線VL1と平行であり、かつ、第1の仮想線VL1から距離2μmだけ電解質層112から離れる側に位置する第2の仮想線VL2との間に挟まれた部分である。燃料極116における電解質層側部分R1の開口率は、燃料極116の破断面のSEM画像(面方向の視野幅20μm)を二値化し(図7参照)、燃料極116の電解質層側部分R1の面積に占める開口VO(二値化後の黒色領域)の面積の割合を測定することにより特定することができる。なお、電解質層112の品質は、下地層としての燃料極116の第1の表面SU1の開口率に影響を受けるが、本実施形態では、燃料極116の第1の表面SU1の開口率が、上述した燃料極116における電解質層側部分R1の開口率と略一致することを確認した上で、指標値として、燃料極116における電解質層側部分R1の開口率を用いている。また、燃料極116における最大の開口径(気孔径)は、円相当径(開口の面積と同一の面積を有する円の直径)で1μm以下であることが好ましい。   In the single cell 110 of the present embodiment, the opening ratio (porosity) of the portion on the electrolyte layer 112 side (hereinafter referred to as “electrolyte layer side portion R1”) of the fuel electrode 116 is higher than 5% and 35 %. The electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 passes through the average position of the heights of the first to fifth highest peaks used for specifying the surface roughness Rz described above, and is orthogonal to the Z axis. Between the first imaginary line VL1 and the second imaginary line VL2 that is parallel to the first imaginary line VL1 and located on the side away from the electrolyte layer 112 by a distance of 2 μm from the first imaginary line VL1. It is the part sandwiched. The aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 is binarized from the SEM image of the fracture surface of the fuel electrode 116 (viewing field width of 20 μm) (see FIG. 7), and the electrolyte layer side portion R1 of the fuel electrode 116 is obtained. It can be specified by measuring the ratio of the area of the opening VO (black area after binarization) occupying the area of. Note that the quality of the electrolyte layer 112 is affected by the aperture ratio of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 as an underlayer, but in this embodiment, the aperture ratio of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is After confirming that the aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 is substantially the same as that described above, the aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 is used as an index value. Further, the maximum opening diameter (pore diameter) in the fuel electrode 116 is preferably 1 μm or less in terms of an equivalent circle diameter (diameter of a circle having the same area as the opening area).

また、図8は、単セル110の電解質層112を対象としたXRD測定の結果を示す説明図である。図8には、CoKα線を用いたXRD測定結果が示されている。本実施形態の単セル110では、CoKα線を用いた電解質層112のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg以下である。すなわち、本実施形態の単セル110では、電解質層112を構成する各粒子PAの大きさが比較的大きい。なお、YSZ回折線の(111)面または(200)面は、他の面より強度が高く、識別・測定が容易であるため、これらの面を対象とすることが好ましい。また、結晶面の半値全幅は、特定の結晶面のピークを用いて測定してもよいし、X線結晶構造解析、リートベルト法を用いて解析してもよい。   FIG. 8 is an explanatory diagram showing the results of XRD measurement for the electrolyte layer 112 of the single cell 110. FIG. 8 shows the result of XRD measurement using CoKα rays. In the single cell 110 of the present embodiment, the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the electrolyte layer 112 using CoKα rays is 0.2 deg or less. That is, in the single cell 110 of the present embodiment, the size of each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is relatively large. Since the (111) plane or (200) plane of the YSZ diffraction line has higher strength than other planes and is easy to identify and measure, it is preferable to target these planes. Further, the full width at half maximum of the crystal plane may be measured using a peak of a specific crystal plane, or may be analyzed using an X-ray crystal structure analysis or a Rietveld method.

A−4.単セル110の製造方法:
第1実施形態の単セル110は、例えば、以下の製造方法により製造することができる。図9は、第1実施形態における単セル110の製造方法の一例を示す説明図である。
A-4. Manufacturing method of the single cell 110:
The single cell 110 of 1st Embodiment can be manufactured with the following manufacturing methods, for example. FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of a method for manufacturing the single cell 110 according to the first embodiment.

はじめに、金属支持体118を準備し、金属支持体118上に燃料極116を形成する(S110)。より詳細には、例えば、NiOおよびYSZを含む燃料極用ペーストを金属支持体118上に塗布し、所定の条件で焼成することによって燃料極116を形成する。   First, the metal support 118 is prepared, and the fuel electrode 116 is formed on the metal support 118 (S110). More specifically, for example, the fuel electrode 116 is formed by applying a fuel electrode paste containing NiO and YSZ on the metal support 118 and firing it under predetermined conditions.

ここで、上述したように、本実施形態の単セル110では、燃料極116における電解質層112に対向する側の表面(第1の表面SU1)の表面粗さRzは、30μm以下である。燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。具体的には、原料粉末の粒度を細かくすると、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは小さくなる。また、焼成温度を低くする、および/または、焼成時間を短くすると、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは小さくなる。また、造孔材径を小さくすると、燃料極116の第1の表面SU1の表面粗さRzは小さくなる。   Here, as described above, in the single cell 110 of the present embodiment, the surface roughness Rz of the surface (first surface SU1) on the side facing the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is 30 μm or less. The surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 can be adjusted, for example, by adjusting the particle size of the raw material powder, the firing conditions, the diameter of the pore former mixed with the raw material, and the like. Specifically, when the particle size of the raw material powder is made fine, the surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 becomes small. Further, when the firing temperature is lowered and / or the firing time is shortened, the surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is reduced. Further, when the pore former diameter is reduced, the surface roughness Rz of the first surface SU1 of the fuel electrode 116 is reduced.

また、上述したように、本実施形態の単セル110では、燃料極116における電解質層側部分R1の開口率(気孔率)は、5%より高く、かつ、35%未満である。燃料極116における電解質層側部分R1の開口率は、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。具体的には、原料粉末の粒度を細かくすると、燃料極116における電解質層側部分R1の開口率は低くなる。また、焼成温度を低くする、および/または、焼成時間を短くすると、燃料極116における電解質層側部分R1の開口率は低くなる。また、造孔材径を小さくすると、燃料極116における電解質層側部分R1の開口率は低くなる。   Further, as described above, in the single cell 110 of the present embodiment, the aperture ratio (porosity) of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 is higher than 5% and lower than 35%. The aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 can be adjusted, for example, by adjusting the particle size of the raw material powder, firing conditions, the diameter of the pore former mixed with the raw material, and the like. Specifically, when the particle size of the raw material powder is made fine, the aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 becomes low. Further, when the firing temperature is lowered and / or the firing time is shortened, the aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 is lowered. Further, when the pore former diameter is reduced, the aperture ratio of the electrolyte layer side portion R1 in the fuel electrode 116 is lowered.

次に、金属支持体118上に形成された燃料極116の表面に、電解質層112を形成する(S120)。より詳細には、燃料極116を下地層として、気相法(例えば、スパッタプロセス)によって電解質層112を成膜する。電解質層112を気相法により成膜する際には、電解質層112を構成する各粒子PAが概ね同一の(方向の差が±10度以内の)粒成長方向D1に成長し、最終的に、粒成長方向D1に延びる柱状結晶の粒子PAとなる。金属支持体118の耐熱性の観点、および、部材間の元素拡散による悪影響を抑制する観点から、電解質層112の成膜時の温度は800℃以下であることが好ましい。気相法の内、スパッタプロセスは、500℃以下で成膜が可能であるので好適である。なお、本実施形態では、金属支持体118における燃料極116側の表面の内、燃料極116に覆われていない領域にも電解質層112が形成される。   Next, the electrolyte layer 112 is formed on the surface of the fuel electrode 116 formed on the metal support 118 (S120). More specifically, the electrolyte layer 112 is formed by a vapor phase method (for example, sputtering process) using the fuel electrode 116 as a base layer. When the electrolyte layer 112 is formed by the vapor phase method, each particle PA constituting the electrolyte layer 112 grows in substantially the same (direction difference is within ± 10 degrees) grain growth direction D1, and finally The columnar crystal particles PA extend in the grain growth direction D1. From the viewpoint of the heat resistance of the metal support 118 and from the viewpoint of suppressing adverse effects due to element diffusion between members, the temperature during the formation of the electrolyte layer 112 is preferably 800 ° C. or lower. Among the vapor phase methods, a sputtering process is preferable because film formation can be performed at 500 ° C. or lower. In the present embodiment, the electrolyte layer 112 is also formed in a region of the metal support 118 on the fuel electrode 116 side that is not covered with the fuel electrode 116.

ここで、本実施形態の単セル110では、電解質層112を構成する各粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θは、75度以上、90度以下である。この傾斜角度θは、例えば、気相法による電解質層112の成膜時のワーク角度を調整することによって調整することができる。具体的には、気相法による電解質層112の成膜時のワーク角度を大きくすると、傾斜角度θは小さくなる。   Here, in the single cell 110 of this embodiment, the inclination angle θ in the grain growth direction D1 of each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is not less than 75 degrees and not more than 90 degrees. This inclination angle θ can be adjusted, for example, by adjusting the work angle when the electrolyte layer 112 is formed by the vapor phase method. Specifically, when the work angle at the time of forming the electrolyte layer 112 by the vapor phase method is increased, the inclination angle θ is decreased.

また、本実施形態の単セル110では、電解質層112の厚さT1は20μm以下である。電解質層112の厚さT1は、例えば、気相法による電解質層112の成膜条件(温度や時間)を調整することによって調整することができる。具体的には、気相法による電解質層112の成膜時における温度を低くすると、電解質層112の厚さT1は薄くなる。また、気相法による電解質層112の成膜時間を短くすると、電解質層112の厚さT1は薄くなる。   In the single cell 110 of this embodiment, the thickness T1 of the electrolyte layer 112 is 20 μm or less. The thickness T1 of the electrolyte layer 112 can be adjusted, for example, by adjusting the film formation conditions (temperature and time) of the electrolyte layer 112 by a vapor phase method. Specifically, when the temperature at the time of forming the electrolyte layer 112 by the vapor phase method is lowered, the thickness T1 of the electrolyte layer 112 is reduced. Further, when the deposition time of the electrolyte layer 112 by the vapor phase method is shortened, the thickness T1 of the electrolyte layer 112 is reduced.

また、本実施形態の単セル110では、CoKα線を用いた電解質層112のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg以下である。このFWHMは、例えば、気相法による電解質層112の成膜条件(温度や時間)を調整することによって調整することができる。具体的には、気相法による電解質層112の成膜時における温度を高くすると、FWHMは小さくなる。   Moreover, in the single cell 110 of this embodiment, the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the electrolyte layer 112 using CoKα rays is 0.2 deg or less. This FWHM can be adjusted, for example, by adjusting the film formation conditions (temperature and time) of the electrolyte layer 112 by a vapor phase method. Specifically, when the temperature at the time of forming the electrolyte layer 112 by the vapor phase method is increased, the FWHM is decreased.

次に、電解質層112における燃料極116に対向する側とは反対側の表面に、空気極114を形成する(S130)。より詳細には、例えば、LSCF粉末を含む空気極用ペーストを電解質層112における燃料極116に対向する側とは反対側の表面に塗布し、所定の条件で焼成することによって空気極114を形成する。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。   Next, the air electrode 114 is formed on the surface of the electrolyte layer 112 opposite to the side facing the fuel electrode 116 (S130). More specifically, for example, an air electrode paste containing LSCF powder is applied to the surface of the electrolyte layer 112 opposite to the side facing the fuel electrode 116, and fired under predetermined conditions to form the air electrode 114. To do. Through the above steps, the unit cell 110 having the above-described configuration is manufactured.

B.第2実施形態:
B−1.電解セルスタック100aの構成:
次に、本願発明の第2実施形態として、本願発明を電解セルスタック100aを構成する電解単セル110aに適用した場合について説明する。なお、電解セルスタック100aの構成は、上述した燃料電池スタック100の構成と共通する点が多いため、以下の説明では、電解セルスタック100aの構成の内、上述した燃料電池スタック100の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。図10は、第2実施形態における電解セルスタック100aの外観構成を示す斜視図であり、図11は、図10のXI−XIの位置における電解セルスタック100aのXZ断面構成を示す説明図であり、図12は、図10のXII−XIIの位置における電解セルスタック100aのYZ断面構成を示す説明図である。
B. Second embodiment:
B-1. Configuration of the electrolytic cell stack 100a:
Next, as a second embodiment of the present invention, a case where the present invention is applied to an electrolytic cell 110a constituting the electrolytic cell stack 100a will be described. Since the configuration of the electrolytic cell stack 100a has many points in common with the configuration of the fuel cell stack 100 described above, in the following description, the configuration of the electrolytic cell stack 100a is the same as the configuration of the fuel cell stack 100 described above. About the structure of this, the description is suitably abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol. FIG. 10 is a perspective view showing an external configuration of the electrolytic cell stack 100a according to the second embodiment, and FIG. 11 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the electrolytic cell stack 100a at the position XI-XI in FIG. FIG. 12 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the electrolytic cell stack 100a at the position XII-XII in FIG.

電解セルスタック100aは、複数の(本実施形態では7つの)電解単位102aと、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの電解単位102a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つの電解単位102a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。上側のエンドプレート104は、電解セルスタック100aのプラス側の端子として機能し、下側のエンドプレート106は、電解セルスタック100aのマイナス側の端子として機能する。   The electrolytic cell stack 100a includes a plurality of (seven in this embodiment) electrolytic units 102a and a pair of end plates 104 and 106. The seven electrolysis units 102a are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven electrolysis units 102a from above and below. The upper end plate 104 functions as a positive terminal of the electrolytic cell stack 100a, and the lower end plate 106 functions as a negative terminal of the electrolytic cell stack 100a.

電解セルスタック100aを構成する各層(電解単位102a、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には連通孔108が形成されており、連通孔108にはボルト22が挿入されている。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10および図11に示すように、電解セルスタック100a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、電解セルスタック100aの外部から各電解単位102aの燃料室176に燃料極側供給ガスG2としての水蒸気を供給する燃料極側ガス導入マニホールド171a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、各電解単位102aの燃料極116において発生した水素を、燃料極側排出ガスG21として燃料室176から電解セルスタック100aの外部へと排出する燃料極側ガス排出マニホールド172aとして機能する。   A communication hole 108 is formed in a peripheral portion around the Z direction of each layer (electrolysis unit 102a, end plates 104, 106) constituting the electrolytic cell stack 100a, and a bolt 22 is inserted into the communication hole 108. Since the outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108, 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. 10 and 11, the electrolytic cell stack 100 a is located near the midpoint of one side (the side on the X axis positive direction side of the two sides parallel to the Y axis) on the outer periphery around the Z direction. The space formed by the bolts 22 (bolts 22A) and the communication holes 108 through which the bolts 22A are inserted is supplied to the fuel chambers 176 of the respective electrolysis units 102a from the outside of the electrolysis cell stack 100a as the fuel electrode side supply gas G2. It functions as a fuel electrode side gas introduction manifold 171a for supplying water vapor and is located near the midpoint of the opposite side (side of the two sides parallel to the Y axis on the X axis negative direction side). The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted allows hydrogen generated in the fuel electrode 116 of each electrolysis unit 102a to flow into the fuel electrode side exhaust gas G. Functions as a fuel electrode side gas exhaust manifold 172a for discharging from the fuel chamber 176 to the outside of the electrolytic cell stack 100a as one.

また、図10および図12に示すように、電解セルスタック100a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、空気室166からの酸素の排出を促すための空気極側供給ガスG1(例えば、空気)を電解セルスタック100aの外部から各電解単位102aの空気室166に供給する空気極側ガス導入マニホールド161a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、各電解単位102aの空気極114において発生した酸素を、空気極側排出ガスG11として空気室166から電解セルスタック100aの外部へと排出する空気極側ガス排出マニホールド162aとして機能する。   Further, as shown in FIGS. 10 and 12, the vicinity of the midpoint of one side (the Y-axis positive direction side of two sides parallel to the X-axis) on the outer periphery around the Z-direction of the electrolysis cell stack 100a. The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located at the position and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted is an air electrode side supply gas G1 (for example, for promoting the discharge of oxygen from the air chamber 166) Air) from the outside of the electrolysis cell stack 100a to the air chamber 166 of each electrolysis unit 102a, functioning as an air electrode side gas introduction manifold 161a, and opposite sides (of the two sides parallel to the X axis) The space formed by the bolt 22 (bolt 22E) located near the midpoint of the Y-axis negative direction side and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is the air electrode of each electrolysis unit 102a. The oxygen generated at 14, which functions as an air electrode side gas exhaust manifold 162a for discharging the air electrode side exhaust gas G11 from the air chamber 166 to the outside of the electrolytic cell stack 100a.

(電解単位102aの構成)
図13は、図11に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解単位102aのXZ断面構成を示す説明図であり、図14は、図12に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの電解単位102aのYZ断面構成を示す説明図である。図13および図14に示すように、電解単位102aは、電解単セル110a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、電解単位102a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。なお、以下では、電解単セル110aを、単セル110aという。上記第1実施形態における(燃料電池)単セル110と区別するため、(電解)単セルの符号の末尾には「a」を付している。
(Configuration of electrolysis unit 102a)
13 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two electrolysis units 102a adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 11, and FIG. 14 is 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 electrolysis units 102a. As shown in FIGS. 13 and 14, the electrolysis unit 102a includes an electrolysis unit cell 110a, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, a fuel electrode side frame 140, a fuel electrode. A side current collector 144 and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the electrolysis unit 102a are provided. Hereinafter, the electrolytic single cell 110a is referred to as a single cell 110a. In order to distinguish from the (fuel cell) unit cell 110 in the first embodiment, “a” is added to the end of the symbol of the (electrolysis) unit cell.

単セル110aは、電解質層112と、電解質層112のZ軸方向一方側(下側)に配置された空気極114と、電解質層のZ軸方向他方側(上側)に配置された燃料極116と、空気極114に対して電解質層112とは反対側(下側)に配置された金属支持体118とを備える。   The single cell 110a includes an electrolyte layer 112, an air electrode 114 disposed on one side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and a fuel electrode 116 disposed on the other side (upper side) of the electrolyte layer in the Z-axis direction. And a metal support 118 disposed on the opposite side (lower side) of the electrolyte layer 112 with respect to the air electrode 114.

空気極114は、Z軸方向視で金属支持体118より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。空気極114の下側の表面は略平面であり、その略全体が、同じく略平面である金属支持体118の上側の表面に接している。本実施形態では、空気極114は、電解質層112を成膜する際の下地層となる下地層電極として機能する。   The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped porous member smaller than the metal support 118 as viewed in the Z-axis direction. The lower surface of the air electrode 114 is substantially flat, and substantially the entire surface is in contact with the upper surface of the metal support 118 that is also substantially flat. In the present embodiment, the air electrode 114 functions as a base layer electrode that serves as a base layer when the electrolyte layer 112 is formed.

電解質層112は、空気極114における上側の表面と、金属支持体118における上側の表面の内、空気極114に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層112は、例えば、固体酸化物であるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)により形成されている。このように、本実施形態の単セル110aは、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形電解セル(SOEC)である。   The electrolyte layer 112 is formed so as to continuously cover the upper surface of the air electrode 114 and the region of the upper surface of the metal support 118 that is not covered by the air electrode 114. The electrolyte layer 112 is made of, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia) which is a solid oxide. Thus, the single cell 110a of this embodiment is a solid oxide electrolytic cell (SOEC) using a solid oxide as an electrolyte.

燃料極116は、Z軸方向視で金属支持体118より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。本実施形態では、燃料極116は、下地層(空気極114)上に成膜された電解質層112に対向する対向電極として機能する。   The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped porous member smaller than the metal support 118 as viewed in the Z-axis direction. In the present embodiment, the fuel electrode 116 functions as a counter electrode facing the electrolyte layer 112 formed on the base layer (air electrode 114).

空気極側フレーム130には、空気極側ガス導入マニホールド161aと空気室166とを連通する空気極側ガス供給連通孔132aと、空気室166と空気極側ガス排出マニホールド162aとを連通する空気極側ガス排出連通孔133aとが形成されている。また、燃料極側フレーム140には、燃料極側ガス導入マニホールド171aと燃料室176とを連通する燃料極側ガス供給連通孔142aと、燃料室176と燃料極側ガス排出マニホールド172aとを連通する燃料極側ガス排出連通孔143aとが形成されている。  The air electrode side frame 130 has an air electrode side gas supply manifold 132a that communicates the air electrode side gas introduction manifold 161a and the air chamber 166, and an air electrode that communicates the air chamber 166 and the air electrode side gas discharge manifold 162a. A side gas discharge communication hole 133a is formed. Further, the fuel electrode side frame 140 communicates the fuel electrode side gas supply manifold 142a that communicates the fuel electrode side gas introduction manifold 171a and the fuel chamber 176, and the fuel chamber 176 and the fuel electrode side gas discharge manifold 172a. A fuel electrode side gas discharge communication hole 143a is formed.

なお、第2実施形態における電解質層112の詳細構成は、上記第1実施形態において図6に示された電解質層112の詳細構成と同一である(ただし、下地層電極は燃料極116ではなく空気極114である)。すなわち、電解質層112の厚さT1は20μm以下である。また、電解質層112は、粒成長方向D1に延びる柱状結晶の粒子PAにより構成されている。また、電解質層112を構成する各粒子PAの粒成長方向D1が概ね同じ方向となっている。また、電解質層112を構成する各粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θは、75度以上、90度以下となっている。また、CoKα線を用いた電解質層112のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg以下である。   The detailed configuration of the electrolyte layer 112 in the second embodiment is the same as the detailed configuration of the electrolyte layer 112 shown in FIG. 6 in the first embodiment (however, the base layer electrode is not the fuel electrode 116 but the air electrode 116). Pole 114). That is, the thickness T1 of the electrolyte layer 112 is 20 μm or less. The electrolyte layer 112 is composed of columnar crystal particles PA extending in the grain growth direction D1. Further, the grain growth direction D1 of each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is substantially the same direction. Further, the inclination angle θ in the grain growth direction D1 of each particle PA constituting the electrolyte layer 112 is not less than 75 degrees and not more than 90 degrees. The full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the electrolyte layer 112 using CoKα rays is 0.2 deg or less.

また、第2実施形態において、下地層電極として機能する空気極114の表面粗さや開口率は、上記第1実施形態において下地層電極として機能する燃料極116の表面粗さや開口率と同様である。すなわち、空気極114における電解質層112に対向する側の表面の表面粗さ(最大高さ粗さ)Rzは、30μm以下である。また、空気極114における電解質層112側の部分の開口率(気孔率)は、5%より高く、かつ、35%未満である。また、空気極114における最大の開口径(気孔径)は、円相当径(開口の面積と同一の面積を有する円の直径)で1μm以下であることが好ましい。   In the second embodiment, the surface roughness and aperture ratio of the air electrode 114 functioning as the base layer electrode are the same as the surface roughness and aperture ratio of the fuel electrode 116 functioning as the base layer electrode in the first embodiment. . That is, the surface roughness (maximum height roughness) Rz of the air electrode 114 on the side facing the electrolyte layer 112 is 30 μm or less. Further, the aperture ratio (porosity) of the portion of the air electrode 114 on the electrolyte layer 112 side is higher than 5% and lower than 35%. The maximum opening diameter (pore diameter) in the air electrode 114 is preferably 1 μm or less in terms of a circle-equivalent diameter (diameter of a circle having the same area as the opening area).

B−2.電解セルスタック100aの動作:
図11および図13に示すように、燃料極側ガス導入マニホールド171a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)を介して燃料極側供給ガスG2としての水蒸気が供給されると、水蒸気は、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料極側ガス導入マニホールド171aに供給され、燃料極側ガス導入マニホールド171aから各電解単位102aの燃料極側ガス供給連通孔142aを介して、燃料室176に供給される。また、図12および図14に示すように、空気極側ガス導入マニホールド161a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)を介して空気極側供給ガスG1(例えば空気)が供給されると、空気極側供給ガスG1は、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して空気極側ガス導入マニホールド161aに供給され、空気極側ガス導入マニホールド161aから各電解単位102aの空気極側ガス供給連通孔132aを介して、空気室166に供給される。
B-2. Operation of the electrolytic cell stack 100a:
As shown in FIGS. 11 and 13, the fuel electrode side supply gas is connected 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 electrode side gas introduction manifold 171 a. When the water vapor as G2 is supplied, the water vapor is supplied to the fuel electrode side gas introduction manifold 171a through the branching portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and is supplied from the fuel electrode side gas introduction manifold 171a. The fuel is supplied to the fuel chamber 176 through the fuel electrode side gas supply communication hole 142a of the electrolysis unit 102a. Further, as shown in FIGS. 12 and 14, the air electrode side is connected via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the air electrode side gas introduction manifold 161a. When the supply gas G1 (for example, air) is supplied, the air electrode side supply gas G1 is supplied to the air electrode side gas introduction manifold 161a through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the air The air is supplied from the electrode side gas introduction manifold 161a to the air chamber 166 through the air electrode side gas supply communication hole 132a of each electrolysis unit 102a.

このように燃料極側供給ガスG2(水蒸気)および空気極側供給ガスG1(空気)が供給された状態で、電解セルスタック100aの電気端子として機能するエンドプレート104,106に電圧が印加されると、各電解単位102aを構成するインターコネクタ150や空気極側集電体134、燃料極側集電体144等を介して各単セル110aに電圧が印加され、各単セル110aにおいて水の電気分解反応が起こる。この水の電気分解反応により、燃料極116において水素が発生し、空気極114において酸素が発生する。   In this state, with the fuel electrode side supply gas G2 (water vapor) and the air electrode side supply gas G1 (air) supplied, a voltage is applied to the end plates 104 and 106 that function as electrical terminals of the electrolysis cell stack 100a. In addition, a voltage is applied to each single cell 110a via the interconnector 150, the air electrode side current collector 134, the fuel electrode side current collector 144, and the like constituting each electrolysis unit 102a, and the electric power of the water in each single cell 110a. Decomposition occurs. By this electrolysis reaction of water, hydrogen is generated at the fuel electrode 116 and oxygen is generated at the air electrode 114.

各単セル110aの燃料極116において発生した水素は、燃料極側排出ガスG21として、燃料室176から燃料極側ガス排出連通孔143aを介して燃料極側ガス排出マニホールド172aに排出され、さらに燃料極側ガス排出マニホールド172a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)を介して電解セルスタック100aの外部に取り出される。また、各単セル110aの空気極114において発生した酸素は、空気極側排出ガスG11として、空気室166から空気極側ガス排出連通孔133aを介して空気極側ガス排出マニホールド162aに排出され、さらに空気極側ガス排出マニホールド162a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)を介して電解セルスタック100aの外部に排出される。   Hydrogen generated in the fuel electrode 116 of each unit cell 110a is discharged as fuel electrode side exhaust gas G21 from the fuel chamber 176 to the fuel electrode side gas discharge manifold 172a through the fuel electrode side gas discharge communication hole 143a. The electrolytic cell stack 100a is connected to a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the pole side gas discharge manifold 172a. It is taken out outside. Further, oxygen generated in the air electrode 114 of each single cell 110a is discharged from the air chamber 166 to the air electrode side gas discharge manifold 162a through the air electrode side gas discharge communication hole 133a as the air electrode side exhaust gas G11. Further, through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the air electrode side gas discharge manifold 162a, electrolysis is performed via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29. It is discharged outside the cell stack 100a.

B−3.単セル110aの製造方法:
第2実施形態の単セル110aは、例えば、以下の製造方法により製造することができる。図15は、第2実施形態における単セル110aの製造方法の一例を示す説明図である。以下の説明では、第2実施形態の単セル110aの製造方法の内、上述した第1実施形態の単セル110の製造方法と同一の内容については、その説明を適宜省略する。
B-3. Manufacturing method of the single cell 110a:
The single cell 110a of 2nd Embodiment can be manufactured with the following manufacturing methods, for example. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an example of a method for manufacturing the single cell 110a according to the second embodiment. In the following description, the description of the same method as the manufacturing method of the single cell 110 of the first embodiment described above in the manufacturing method of the single cell 110a of the second embodiment will be omitted as appropriate.

はじめに、金属支持体118を準備し、金属支持体118上に空気極114を形成する(S110a)。より詳細には、例えば、LSCF粉末を含む空気極用ペーストを金属支持体118上に塗布し、所定の条件で焼成することによって空気極114を形成する。   First, the metal support 118 is prepared, and the air electrode 114 is formed on the metal support 118 (S110a). More specifically, for example, the air electrode 114 including the LSCF powder is applied on the metal support 118 and baked under predetermined conditions to form the air electrode 114.

ここで、上述したように、本実施形態の単セル110aでは、空気極114における電解質層112に対向する側の表面の表面粗さRzは、30μm以下である。空気極114の該表面の表面粗さRzは、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。また、上述したように、本実施形態の単セル110aでは、空気極114における電解質層112側の部分の開口率(気孔率)は、5%より高く、かつ、35%未満である。空気極114における該部分の開口率は、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。   Here, as described above, in the single cell 110a of the present embodiment, the surface roughness Rz of the air electrode 114 on the side facing the electrolyte layer 112 is 30 μm or less. The surface roughness Rz of the surface of the air electrode 114 can be adjusted, for example, by adjusting the particle size of the raw material powder, the firing conditions, the diameter of the pore former mixed with the raw material, and the like. Further, as described above, in the single cell 110a of the present embodiment, the aperture ratio (porosity) of the portion of the air electrode 114 on the electrolyte layer 112 side is higher than 5% and lower than 35%. The opening ratio of the portion of the air electrode 114 can be adjusted by adjusting the particle size of the raw material powder, the firing conditions, the diameter of the pore former mixed with the raw material, and the like.

次に、金属支持体118上に形成された空気極114の表面に、電解質層112を形成する(S120a)。より詳細には、空気極114を下地層として、気相法(例えば、スパッタプロセス)によって電解質層112を成膜する。なお、本実施形態では、金属支持体118における空気極114側の表面の内、空気極114に覆われていない領域にも電解質層112が形成される。   Next, the electrolyte layer 112 is formed on the surface of the air electrode 114 formed on the metal support 118 (S120a). More specifically, the electrolyte layer 112 is formed by a vapor phase method (for example, sputtering process) using the air electrode 114 as a base layer. In the present embodiment, the electrolyte layer 112 is also formed in the region of the metal support 118 on the air electrode 114 side that is not covered with the air electrode 114.

次に、電解質層112における空気極114に対向する側とは反対側の表面に、燃料極116を形成する(S130a)。より詳細には、例えば、NiOおよびYSZを含む燃料極用ペーストを電解質層112における空気極114に対向する側とは反対側の表面に塗布し、所定の条件で焼成することによって燃料極116を形成する。以上の工程により、上述した構成の単セル110aが製造される。   Next, the fuel electrode 116 is formed on the surface of the electrolyte layer 112 opposite to the side facing the air electrode 114 (S130a). More specifically, for example, a fuel electrode paste containing NiO and YSZ is applied to the surface of the electrolyte layer 112 opposite to the side facing the air electrode 114, and fired under predetermined conditions to form the fuel electrode 116. Form. Through the above steps, the single cell 110a having the above-described configuration is manufactured.

C.性能評価:
次に、単セルのガスリーク特性および電気的特性について行った性能評価について説明する。性能評価には、上記第2実施形態の単セル110a、すなわち、空気極114を下地層電極とする単セル110aに対応するサンプルを用いた。図16は、ガスリーク特性評価の結果を示す説明図である。また、図17は、電気的特性評価の結果を示す説明図である。
C. Performance evaluation:
Next, performance evaluation performed on the gas leak characteristics and electrical characteristics of the single cell will be described. For the performance evaluation, a sample corresponding to the single cell 110a of the second embodiment, that is, the single cell 110a using the air electrode 114 as a base layer electrode was used. FIG. 16 is an explanatory diagram showing the results of gas leak characteristic evaluation. FIG. 17 is an explanatory diagram showing the results of electrical characteristic evaluation.

(ガスリーク特性評価)
図16に示すように、ガスリーク特性評価は、6つのサンプル(サンプルS1〜S6)を用いて行った。サンプルS1〜S6は、下地層(空気極114に相当)上にYSZ層(電解質層112に相当)を成膜したものである。本性能評価では、La−Sr−Mn系ペロブスカイト材料(以下、「LSM」という)を一軸プレス法によりプレスして25mmφの円板を形成し、これを1000〜1300℃の範囲のいずれかの温度で3時間焼成することより作製した多孔質焼結体を、下地層として用いた。また、該多孔質焼結体を下地層として、マグネトロンスパッタプロセスによりYSZ層を成膜した。サンプルS1〜S6は、YSZ層の成膜条件(より具体的には、成膜時間)と、下地層の表面の表面粗さRzと、下地層の開口率(気孔率)とが互いに異なっている。なお、各サンプルの下地層の表面粗さRzや開口率の違いは、上述した焼成の際の温度を異ならせることによって実現した。また、サンプルS1〜S6は、これらの違いに起因して、YSZ層の厚さが互いに異なっている。
(Gas leak characteristic evaluation)
As shown in FIG. 16, the gas leak characteristic evaluation was performed using six samples (samples S1 to S6). Samples S1 to S6 are obtained by forming a YSZ layer (corresponding to the electrolyte layer 112) on a base layer (corresponding to the air electrode 114). In this performance evaluation, a La—Sr—Mn-based perovskite material (hereinafter referred to as “LSM”) is pressed by a uniaxial press method to form a 25 mmφ disk, and this is any temperature in the range of 1000 to 1300 ° C. A porous sintered body produced by firing for 3 hours was used as an underlayer. A YSZ layer was formed by a magnetron sputtering process using the porous sintered body as an underlayer. Samples S1 to S6 are different from each other in the film formation conditions (more specifically, the film formation time) of the YSZ layer, the surface roughness Rz of the surface of the base layer, and the aperture ratio (porosity) of the base layer. Yes. Note that the difference in the surface roughness Rz and the aperture ratio of the underlayer of each sample was realized by varying the temperature during the firing described above. In addition, samples S1 to S6 have different YSZ layer thicknesses due to these differences.

ガスリーク特性評価では、各サンプルのYSZ層側にOリングを介して管状の治具を取り付け、治具内を減圧した後、圧力変動の有無を確認した。減圧後3時間経過しても圧力変動がない場合に良好(〇)と判定し、3時間経過前に差圧がなくなった場合に不良(×)と判定し、3時間経過後に差圧は存在するが初期からの圧力変動があった場合に可(△)と判定した。   In the gas leak characteristic evaluation, a tubular jig was attached to the YSZ layer side of each sample via an O-ring, and the inside of the jig was depressurized, and then the presence or absence of pressure fluctuation was confirmed. If there is no pressure fluctuation after 3 hours after depressurization, it is judged as good (◯), and if there is no differential pressure before 3 hours, it is judged as bad (x), and there is a differential pressure after 3 hours However, when there was a pressure fluctuation from the beginning, it was judged as acceptable (Δ).

図16に示すように、サンプルS3は不良(×)と判定された。サンプルS3では、下地層の表面粗さRzが45μmであり、他のサンプルS1,S2,S4〜S6(いずれも下地層の表面粗さRzが31μm以下である)と比べて下地層の表面粗さRzが大きい。上述した表面粗さRzの定義に照らすと、下地層の表面粗さRzが比較的大きいということは、下地層の表面が、凸部の高さが比較的高く、かつ、凹部の深さが比較的深いことを意味する。そのため、サンプルS3では、下地層の表面の凸部の高さが比較的高く、かつ、凹部の深さが比較的深いために、下地層上へのYSZ層の成膜時にYSZ層に欠損箇所が生じ、該欠損箇所からガスリークが発生したものと考えられる。   As shown in FIG. 16, the sample S3 was determined to be defective (x). In sample S3, the surface roughness Rz of the underlayer is 45 μm, and the surface roughness of the underlayer is higher than those of other samples S1, S2, S4 to S6 (all of which the surface roughness Rz of the underlayer is 31 μm or less). Rz is large. In light of the definition of the surface roughness Rz described above, the surface roughness Rz of the underlayer is relatively large, which means that the surface of the underlayer has a relatively high height of the convex portion and a depth of the concave portion. Means relatively deep. Therefore, in sample S3, since the height of the convex portion on the surface of the underlayer is relatively high and the depth of the concave portion is relatively deep, a defect portion is not formed in the YSZ layer when the YSZ layer is formed on the underlayer. It is considered that gas leak occurred from the missing part.

また、サンプルS2は可(△)と判定された。サンプルS2では、下地層の表面粗さRzは30μm以下であるものの、下地層の開口率が35%であり、他のサンプルS1,S4〜S6(いずれも下地層の開口率が35%未満である)と比べて下地層の開口率が高い。そのため、サンプルS2では、下地層における開口が比較的多いことから、下地層上へのYSZ層の成膜時にYSZ層に若干の欠損箇所が存在し、該欠損箇所からガスリークが発生したものと考えられる。   Sample S2 was determined to be acceptable (Δ). In sample S2, although the surface roughness Rz of the underlayer is 30 μm or less, the opening ratio of the underlayer is 35%, and other samples S1, S4 to S6 (all of which the underlayer opening ratio is less than 35%) The aperture ratio of the underlayer is higher than Therefore, in sample S2, since there are a relatively large number of openings in the underlayer, it is considered that there were some defects in the YSZ layer when the YSZ layer was formed on the underlayer, and gas leaks occurred from the defects. It is done.

一方、サンプルS1,S4〜S6は良好(〇)と判定された。これらのサンプルでは、下地層の表面粗さRzが31μm以下であり、かつ、下地層の開口率が35%未満である。以上の結果から、気相法により下地層上に成膜されたYSZ層のガスリークを抑制するためには、下地層の表面粗さRzは31μm以下(より好ましくは30μm以下)であることが好ましく、下地層の開口率は35%未満であることが好ましいと言える。   On the other hand, samples S1, S4 to S6 were determined to be good (◯). In these samples, the surface roughness Rz of the underlayer is 31 μm or less, and the aperture ratio of the underlayer is less than 35%. From the above results, in order to suppress the gas leakage of the YSZ layer formed on the underlayer by the vapor phase method, the surface roughness Rz of the underlayer is preferably 31 μm or less (more preferably 30 μm or less). It can be said that the aperture ratio of the underlayer is preferably less than 35%.

(電気的特性評価)
図17に示すように、電気的特性評価は、6つのサンプル(サンプルS11〜S17)を用いて行った。サンプルS11〜S17は、上述したガスリーク特性評価に用いられたサンプルと同様のもの、すなわち、LSMの下地層上にマグネトロンスパッタプロセスによりYSZ層を成膜したものをベースに、さらにYSZ層上に白金(Pt)をスクリーン印刷により塗布したものである。サンプルS11〜S17は、YSZ層(電解質層112)の成膜条件(具体的には、成膜温度、成膜時間、成膜時のワーク角度)と、下地層の開口率とが互いに異なっている。なお、各サンプルの下地層の開口率の違いは、上述した焼成の際の温度を異ならせることによって実現した。また、サンプルS11〜S17は、これらの違いに起因して、YSZ層の厚さと、YSZ層における粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θ(図6参照)と、CoKα線を用いたYSZ層のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)とが互いに異なっている。
(Electrical characteristics evaluation)
As shown in FIG. 17, the electrical property evaluation was performed using six samples (samples S11 to S17). Samples S11 to S17 are the same as the samples used for the gas leak characteristic evaluation described above, that is, a YSZ layer formed on an LSM underlayer by a magnetron sputtering process, and platinum on the YSZ layer. (Pt) is applied by screen printing. Samples S11 to S17 are different from each other in the film formation conditions (specifically, the film formation temperature, the film formation time, the work angle during film formation) of the YSZ layer (electrolyte layer 112) and the aperture ratio of the underlayer. Yes. In addition, the difference in the aperture ratio of the underlayer of each sample was realized by changing the temperature at the time of firing described above. In addition, the samples S11 to S17 are caused by these differences, and the YSZ layer using the thickness of the YSZ layer, the inclination angle θ (see FIG. 6) of the grain growth direction D1 of the particles PA in the YSZ layer, and the CoKα line. The full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement is different from each other.

電気的特性評価では、各サンプルにおいて空気極114として機能するLSM側を空気雰囲気とし、燃料極116として機能する白金側を水素および水蒸気雰囲気とし、700〜800℃で発電運転を行ったときのI−V特性から電圧降下量を特定し、電圧降下量が相対的に小さい場合に良好(◎または〇)と判定し、相対的に良好であった場合の中で最も性能の低かったものを(〇)と判定した。また、電圧降下量が相対的に大きい場合に不良(×)と判定し、電圧降下量が良好(〇)と不良(×)の中間程度である場合に可(△)と判定した。   In the electrical characteristic evaluation, the LSM side that functions as the air electrode 114 in each sample is an air atmosphere, the platinum side that functions as the fuel electrode 116 is a hydrogen and water vapor atmosphere, and the power generation operation is performed at 700 to 800 ° C. The voltage drop amount is specified from the -V characteristic, and when the voltage drop amount is relatively small, it is judged as good (◎ or ○), and the one with the lowest performance among the relatively good ( ○). Further, when the voltage drop amount was relatively large, it was determined to be defective (×), and when the voltage drop amount was about the middle between good (◯) and defective (×), it was determined to be acceptable (Δ).

図17に示すように、サンプルS12は不良(×)と判定された。サンプルS12では、YSZ層の厚さが25μmであり、他のサンプルS11,S13〜S15(いずれもYSZ層の厚さが21μm以下である)と比べてYSZ層が厚い。そのため、サンプルS12では、YSZ層のIR抵抗が大きくなり、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。   As shown in FIG. 17, the sample S12 was determined to be defective (x). In sample S12, the YSZ layer has a thickness of 25 μm, and the YSZ layer is thicker than the other samples S11, S13 to S15 (all of which have a thickness of 21 μm or less). Therefore, in sample S12, it is considered that the IR resistance of the YSZ layer is increased and the amount of voltage drop is increased.

また、サンプルS16は不良(×)と判定された。サンプルS16では、下地層の開口率が5%であり、他のサンプルS11,S13〜S15(いずれも下地層の開口率が5%より高い)と比べて下地層の開口率が低い。そのため、サンプルS16では、下地層のガス拡散抵抗が大きくなり、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。   Sample S16 was determined to be defective (x). In sample S16, the aperture ratio of the base layer is 5%, and the aperture ratio of the base layer is lower than those of other samples S11 and S13 to S15 (all of which have an aperture ratio of the base layer higher than 5%). Therefore, in sample S16, it is considered that the gas diffusion resistance of the underlayer is increased and the amount of voltage drop is increased.

また、サンプルS15は可(△)と判定された。サンプルS15では、YSZ層の厚さが20μm以下であり、かつ、下地層の開口率が5%より高いものの、YSZ層における粒成長方向D1の傾斜角度θが70度であり、他のサンプルS11,S13(いずれも傾斜角度θが75度以上である)と比べて傾斜角度θが小さい。なお、サンプルS15において、傾斜角度θが小さくなったのは、YSZ層の成膜時のワーク角度が比較的大きい角度(15度)とされたからである。サンプルS15では、YSZ層における粒成長方向D1の傾斜角度θが比較的小さいため、YSZ層における積層方向への酸素イオンの移動がYSZ層における粒界によって阻害され、酸素イオン輸送効率が低下し、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。   Sample S15 was determined to be acceptable (Δ). In sample S15, although the thickness of the YSZ layer is 20 μm or less and the aperture ratio of the underlayer is higher than 5%, the inclination angle θ in the grain growth direction D1 in the YSZ layer is 70 degrees, and other samples S11 , S13 (both have an inclination angle θ of 75 degrees or more), the inclination angle θ is small. In the sample S15, the inclination angle θ is decreased because the work angle during the formation of the YSZ layer is set to a relatively large angle (15 degrees). In sample S15, since the inclination angle θ in the grain growth direction D1 in the YSZ layer is relatively small, the movement of oxygen ions in the stacking direction in the YSZ layer is hindered by the grain boundaries in the YSZ layer, and the oxygen ion transport efficiency decreases. It is thought that the amount of voltage drop has increased.

また、サンプルS14は良好(〇)と判定された。サンプルS14では、YSZ層の厚さが20μm以下であり、かつ、下地層の開口率が5%より高いものの、YSZ層のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)が0.4degであり、他のサンプルS11,S13(いずれもFWHMが0.2deg以下である)と比べてFWHMが大きい(すなわち、YSZ層を構成する粒子が比較的小さい)。なお、サンプルS14において、FWHMが大きくなったのは、YSZ層の成膜時の温度が比較的低い温度(室温)とされたからである。サンプルS14は、FWHMが比較的大きい(すなわち、YSZ層を構成する粒子が比較的小さい)ため、YSZ層における酸素イオン輸送効率が低下し、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。   Sample S14 was determined to be good (◯). In sample S14, although the thickness of the YSZ layer is 20 μm or less and the aperture ratio of the underlayer is higher than 5%, the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the YSZ layer is 0.4 deg. The FWHM is larger than the other samples S11 and S13 (both FWHM is 0.2 deg or less) (that is, the particles constituting the YSZ layer are relatively small). In Sample S14, the FWHM increased because the temperature at the time of forming the YSZ layer was set to a relatively low temperature (room temperature). In sample S14, FWHM is relatively large (that is, particles constituting the YSZ layer are relatively small), and thus it is considered that the oxygen ion transport efficiency in the YSZ layer is reduced and the voltage drop amount is increased.

一方、サンプルS11,S13,S17は良好(◎)と判定された。これらのサンプルでは、YSZ層の厚さが20μm以下であり、下地層の開口率が5%より高く、YSZ層における粒成長方向D1の傾斜角度θが75度以上(かつ90度以下)であり、かつ、YSZ層のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)が0.2deg以下である。以上の結果から、気相法により下地層上に成膜されたYSZ層の電気的特性の低下を抑制するためには、下地層の開口率は5%より高いことが好ましく、YSZ層における粒成長方向D1の傾斜角度θは75度以上、90度以下であることが好ましく、YSZ層のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は0.2deg以下であることが好ましく、YSZ層の厚さは20μm以下であることが好ましいと言える。   On the other hand, samples S11, S13, and S17 were determined to be good (◎). In these samples, the thickness of the YSZ layer is 20 μm or less, the aperture ratio of the underlayer is higher than 5%, and the inclination angle θ in the grain growth direction D1 in the YSZ layer is 75 degrees or more (and 90 degrees or less). And the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the YSZ layer is 0.2 deg or less. From the above results, in order to suppress a decrease in the electrical characteristics of the YSZ layer formed on the underlayer by the vapor phase method, it is preferable that the aperture ratio of the underlayer is higher than 5%. The inclination angle θ in the growth direction D1 is preferably 75 ° or more and 90 ° or less, and the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the YSZ layer is preferably 0.2 deg or less. It can be said that the thickness of the layer is preferably 20 μm or less.

なお、上記性能評価には、空気極114を下地層電極とする単セルに対応するサンプルを用いたが、下地層電極の上に形成される電解質層112の構成(性能)は、下地層電極の表面付近の状態(表面粗さRzや開口率)に左右されることから、空気極114ではなく燃料極116を下地層電極とする単セルにおいても同様の結果となると考えられる。   In the performance evaluation, a sample corresponding to a single cell having the air electrode 114 as a base layer electrode was used. However, the configuration (performance) of the electrolyte layer 112 formed on the base layer electrode is the base layer electrode. Therefore, it is considered that the same result is obtained even in a single cell in which the fuel electrode 116 is used instead of the air electrode 114 instead of the air electrode 114 (the surface roughness Rz and the aperture ratio).

以上の性能評価結果に照らせば、上記各実施形態の単セル110(または100a)において、下地層電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112に対向する側の表面の表面粗さRzは、30μm以下であることが好ましく、下地層電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112の側の部分の開口率(気孔率)は、5%より高く、かつ、35%未満であることが好ましく、電解質層112における粒成長方向D1は、下地層電極(燃料極116または空気極114)の電解質層112に対向する側の表面に対して75度以上、90度以下の傾斜角度θを有する方向であることが好ましく、CoKα線を用いた電解質層112のXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg以下であることが好ましく、Z軸方向における電解質層112の厚さは、20μm以下であることが好ましいと言える。   In light of the above performance evaluation results, the surface roughness Rz of the surface of the base layer electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) facing the electrolyte layer 112 in the unit cell 110 (or 100a) of each of the above embodiments. Is preferably 30 μm or less, and the opening ratio (porosity) of the base layer electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) on the side of the electrolyte layer 112 is higher than 5% and lower than 35%. It is preferable that the grain growth direction D1 in the electrolyte layer 112 has an inclination angle of 75 degrees or more and 90 degrees or less with respect to the surface of the base layer electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) facing the electrolyte layer 112. The direction having θ is preferable, and the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement of the electrolyte layer 112 using CoKα rays is 0.2. Preferably eg at most, the thickness of the electrolyte layer 112 in the Z axis direction, it can be said that it is preferable that 20μm or less.

D.各実施形態の効果:
以上説明したように、上記各実施形態の単セル110(または110a)は、固体酸化物を含む電解質層112と、電解質層112のZ軸方向の一方側に配置された多孔質な燃料極116と、電解質層112のZ軸方向の他方側に配置された多孔質な空気極114とを備え、燃料極116と空気極114との一方(下地層電極として機能する電極であり、以下「特定電極」という)における電解質層112に対向する表面の表面粗さRzは30μm以下である。上記各実施形態の単セル110(または110a)では、特定電極(燃料極116または空気極114)の電解質層112に対向する側の表面の表面粗さRzが比較的小さいことから、特定電極の該表面が、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となっている。そのため、上記各実施形態の単セル110(または110a)では、電解質層112の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層112に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、電解質層112の厚さが過度に厚くなることによるIR抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層112の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。
D. Effect of each embodiment:
As described above, the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments includes the electrolyte layer 112 containing a solid oxide and the porous fuel electrode 116 disposed on one side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction. And a porous air electrode 114 disposed on the other side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and one of the fuel electrode 116 and the air electrode 114 (an electrode functioning as a base layer electrode, hereinafter referred to as “specific”). The surface roughness Rz of the surface facing the electrolyte layer 112 in the “electrode” is 30 μm or less. In the unit cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the surface roughness Rz of the surface of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) facing the electrolyte layer 112 is relatively small. The surface is a surface in which the height of the convex portion is relatively low and the depth of the concave portion is relatively shallow. Therefore, in the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, even if the thickness of the electrolyte layer 112 is not excessively increased, it is possible to suppress a decrease in denseness due to a defective portion occurring in the electrolyte layer 112. can do. Therefore, according to the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the denseness of the electrolyte layer 112 is reduced while suppressing an increase in IR resistance due to an excessively thick electrolyte layer 112. As a result, it is possible to suppress the performance of the single cell 110 (or 110a) from being deteriorated.

なお、気相法により電解質層112を形成する場合には、特に、電解質層112の品質が下地層の表面状態に影響を受けやすい。上記各実施形態のように、気相法により形成された電解質層112を備える単セル110(または110a)において、特定電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112に対向する側の表面の表面粗さRzを30μm以下とすることにより、電解質層112に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができ、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   In the case where the electrolyte layer 112 is formed by a vapor phase method, the quality of the electrolyte layer 112 is particularly susceptible to the surface state of the underlayer. In the single cell 110 (or 110a) including the electrolyte layer 112 formed by the vapor phase method as in the above embodiments, the surface of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) on the side facing the electrolyte layer 112 When the surface roughness Rz is 30 μm or less, it is possible to suppress a decrease in the density due to the occurrence of a defective portion in the electrolyte layer 112 and the performance of the single cell 110 (or 110a) is deteriorated. Can be suppressed.

また、気相法により電解質層112を形成する場合には、他の方法(例えば焼成法)と比較して、低温で電解質層112を形成することができるため、例えば部材間の元素拡散による悪影響を抑制することができる。また、金属支持体118の耐熱性の観点から、気相法による電解質層112の形成方法は、金属支持型の単セルに好適である。   In addition, when the electrolyte layer 112 is formed by a vapor phase method, the electrolyte layer 112 can be formed at a lower temperature than other methods (for example, a firing method). Can be suppressed. From the viewpoint of heat resistance of the metal support 118, the method for forming the electrolyte layer 112 by the vapor phase method is suitable for a metal support type single cell.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)では、特定電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112側の部分の開口率は、5%より高く、かつ、35%未満である。特定電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112側の部分の開口率が過度に高いと、電解質層112に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下し、ガスリークが発生するおそれがある。反対に、特定電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112側の部分の開口率が過度に低いと、特定電極(燃料極116または空気極114)のガス拡散抵抗が増大するおそれがある。上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、特定電極(燃料極116または空気極114)における電解質層112側の部分の開口率が過度に高くなることも過度に低くなることも回避することができ、その結果、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   In the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the opening ratio of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) on the electrolyte layer 112 side is higher than 5% and lower than 35%. is there. If the aperture ratio of the specific electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) on the electrolyte layer 112 side is excessively high, the electrolyte layer 112 may have a defective portion, which may reduce the density and cause gas leakage. is there. On the other hand, if the aperture ratio of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) on the electrolyte layer 112 side is excessively low, the gas diffusion resistance of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) may increase. is there. According to the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the aperture ratio of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) on the electrolyte layer 112 side may be excessively high or excessively low. As a result, it is possible to suppress the performance of the single cell 110 (or 110a) from being deteriorated.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)では、電解質層112における粒子PAの粒成長方向D1は、特定電極(燃料極116または空気極114)の電解質層112に対向する表面に対して、75度以上、90度以下の傾斜角度θを有する方向である。傾斜角度θが過度に小さいと、電解質層112における積層方向への酸素イオンの移動が電解質層112における粒界によって阻害され、酸素イオン輸送効率が低下し、単セル110(または110a)の性能が低下するおそれがある。上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、電解質層112における粒子PAの粒成長方向D1の傾斜角度θが過度に小さくなることを回避することができ、その結果、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   In the unit cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the grain growth direction D1 of the particles PA in the electrolyte layer 112 is relative to the surface of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) facing the electrolyte layer 112. And a direction having an inclination angle θ of 75 degrees or more and 90 degrees or less. When the inclination angle θ is excessively small, the movement of oxygen ions in the stacking direction in the electrolyte layer 112 is hindered by the grain boundary in the electrolyte layer 112, the oxygen ion transport efficiency is lowered, and the performance of the single cell 110 (or 110a) is reduced. May decrease. According to the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, it is possible to avoid the inclination angle θ of the particle growth direction D1 of the particle PA in the electrolyte layer 112 from becoming excessively small. As a result, the single cell 110 It can suppress that the performance of (or 110a) falls.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)では、電解質層112は、固体酸化物としてのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を含む。上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、YSZを含む電解質層112について、電解質層112の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層112の緻密性を確保することができ、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   In the unit cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the electrolyte layer 112 includes yttria-stabilized zirconia (YSZ) as a solid oxide. According to the single cell 110 (or 110a) of each of the embodiments described above, the electrolyte layer 112 containing YSZ is ensured to be dense while suppressing the electrolyte layer 112 from becoming excessively thick. It can suppress that the performance of the single cell 110 (or 110a) falls.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)では、電解質層112を対象とし、CoKα線を用いたXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg以下である。FWHMが過度に大きいと、電解質層112を構成する粒子が過度に小さいこととなり、電解質層112における酸素イオン輸送効率が低下し、単セル110(または110a)の性能が低下するおそれがある。上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、FWHMが過度に大きくなることを回避することができ、その結果、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   In the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the full width at half maximum (FWHM) of the YSZ diffraction line obtained by XRD measurement using the CoKα ray for the electrolyte layer 112 is 0.2 deg or less. . If the FWHM is excessively large, the particles constituting the electrolyte layer 112 are excessively small, the oxygen ion transport efficiency in the electrolyte layer 112 is decreased, and the performance of the single cell 110 (or 110a) may be decreased. According to the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the FWHM can be prevented from becoming excessively large, and as a result, the performance of the single cell 110 (or 110a) can be prevented from being deteriorated. Can do.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)では、Z軸方向における電解質層112の厚さは、20μm以下である。そのため、上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、電解質層112の厚さが過度に厚くなることに起因してIR抵抗が増大することを抑制することができ、その結果、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。なお、Z軸方向における電解質層112の厚さは、10μm以下がより好ましく、5μm以下がさらに好ましい。また、電解質層112の緻密性を確保する観点から、Z軸方向における電解質層112の厚さは、1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましく、3μm以上がさらに好ましい。   In the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the thickness of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction is 20 μm or less. Therefore, according to the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, it is possible to suppress an increase in IR resistance due to an excessively thick electrolyte layer 112, and as a result, It can suppress that the performance of the single cell 110 (or 110a) falls. In addition, the thickness of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction is more preferably 10 μm or less, and further preferably 5 μm or less. Further, from the viewpoint of ensuring the denseness of the electrolyte layer 112, the thickness of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and further preferably 3 μm or more.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)は、さらに、特定電極(燃料極116または空気極114)に対して電解質層112とは反対側に配置され、単セル110(または110a)を支持する多孔質な金属支持体118を備える。そのため、上記各実施形態の単セル110(または110a)によれば、金属支持体118に支持された特定電極(燃料極116または空気極114)上に形成される電解質層112の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層112の緻密性を確保することができ、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   The single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments is further disposed on the opposite side of the electrolyte layer 112 with respect to the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114), and the single cell 110 (or 110a). A porous metal support 118 is provided. Therefore, according to the single cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments, the thickness of the electrolyte layer 112 formed on the specific electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) supported by the metal support 118 is excessive. Therefore, it is possible to ensure the denseness of the electrolyte layer 112 while suppressing the thickness of the single cell 110 (or 110a) from being deteriorated.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)の製造方法は、一の表面の表面粗さRzが30μm以下である特定電極(燃料極116または空気極114)を準備する工程と、特定電極(燃料極116または空気極114)の該一の表面に気相法により電解質層112を形成する工程と、電解質層112の特定電極(燃料極116または空気極114)に対向する側とは反対側に他方の電極(空気極114または燃料極116)を形成する工程とを備える。上記各実施形態の単セル110(または110a)の製造方法は、一の表面の表面粗さRzが30μm以下である特定電極(燃料極116または空気極114)を準備する工程を備えるため、特定電極(燃料極116または空気極114)の一の表面が、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となる。そのため、上記各実施形態の単セル110(または110a)の製造方法では、特定電極(燃料極116または空気極114)の該一の表面に気相法により電解質層112を形成する際に、電解質層112の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層112に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、上記各実施形態の単セル110(または110a)の製造方法によれば、電解質層112の厚さが過度に厚くなることによるIR抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層112の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、単セル110(または110a)の性能が低下することを抑制することができる。   In addition, the manufacturing method of the unit cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments includes a step of preparing a specific electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) having a surface roughness Rz of 30 μm or less, and a specific surface. The step of forming the electrolyte layer 112 on the one surface of the electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) by the vapor phase method and the side of the electrolyte layer 112 facing the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114) Forming the other electrode (the air electrode 114 or the fuel electrode 116) on the opposite side. The manufacturing method of the unit cell 110 (or 110a) of each of the above embodiments includes a step of preparing a specific electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) having a surface roughness Rz of one surface of 30 μm or less. One surface of the electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) is a surface in which the height of the convex portion is relatively low and the depth of the concave portion is relatively shallow. Therefore, in the method of manufacturing the single cell 110 (or 110a) of each of the embodiments described above, when the electrolyte layer 112 is formed on the one surface of the specific electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114) by the vapor phase method, the electrolyte Even if the thickness of the layer 112 is not excessively increased, it is possible to prevent the denseness from being lowered due to the occurrence of a defective portion in the electrolyte layer 112 or the like. Therefore, according to the method of manufacturing the single cell 110 (or 110a) of each of the embodiments described above, the denseness of the electrolyte layer 112 is suppressed while suppressing an increase in IR resistance due to an excessively thick electrolyte layer 112. Generation | occurrence | production of the gas leak by falling can be suppressed, As a result, it can suppress that the performance of the single cell 110 (or 110a) falls.

また、上記各実施形態の単セル110(または110a)の製造方法では、気相法として、スパッタプロセスが採用されることが好ましい。スパッタプロセスは、蒸着法等の他の気相法に比べ、膜を形成する粒子の持つエネルギーが大きいため、特定電極(燃料極116または空気極114)の表面への付着力の強い電解質層112を形成することができ、その結果、電解質層112の緻密性をより確実に確保することができ、単セル110(または110a)の性能が低下することをより効果的に抑制することができる。   Moreover, in the manufacturing method of the single cell 110 (or 110a) of each said embodiment, it is preferable that a sputtering process is employ | adopted as a gaseous-phase method. In the sputtering process, the energy of the particles forming the film is larger than in other vapor phase methods such as vapor deposition, so that the electrolyte layer 112 having strong adhesion to the surface of the specific electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114). As a result, the denseness of the electrolyte layer 112 can be more reliably ensured, and the deterioration of the performance of the single cell 110 (or 110a) can be more effectively suppressed.

E.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。
E. Variation:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記各実施形態における単セル110(または110a)や燃料電池スタック100(または電解セルスタック100a)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、上記第1実施形態では、金属支持体118が、燃料極116に対して電解質層112とは反対側に配置されているが、金属支持体118が、空気極114に対して電解質層112とは反対側に配置されるとしてもよい。この場合には、金属支持体118上に形成された空気極114を下地層として、空気極114における電解質層112に対向する側の表面上に電解質層112が形成される。そのため、空気極114における電解質層112に対向する側の表面の表面粗さRzが30μm以下とされ、空気極114における電解質層112側の部分の開口率が5%より高く、かつ、35%未満であるとされる。なお、この場合には、空気極114が特許請求の範囲における特定電極に相当する。   The configuration of the single cell 110 (or 110a) and the fuel cell stack 100 (or electrolysis cell stack 100a) in each of the above embodiments is merely an example, and various modifications can be made. For example, in the first embodiment, the metal support 118 is disposed on the side opposite to the electrolyte layer 112 with respect to the fuel electrode 116, but the metal support 118 is disposed on the electrolyte layer 112 with respect to the air electrode 114. It may be arranged on the opposite side. In this case, the electrolyte layer 112 is formed on the surface of the air electrode 114 on the side facing the electrolyte layer 112 using the air electrode 114 formed on the metal support 118 as a base layer. Therefore, the surface roughness Rz of the surface of the air electrode 114 facing the electrolyte layer 112 is set to 30 μm or less, and the aperture ratio of the portion of the air electrode 114 on the electrolyte layer 112 side is higher than 5% and less than 35%. It is said that. In this case, the air electrode 114 corresponds to the specific electrode in the claims.

同様に、上記第2実施形態では、金属支持体118が、空気極114に対して電解質層112とは反対側に配置されているが、金属支持体118が、燃料極116に対して電解質層112とは反対側に配置されるとしてもよい。この場合には、金属支持体118上に形成された燃料極116を下地層として、燃料極116における電解質層112に対向する側の表面上に電解質層112が形成される。そのため、燃料極116における電解質層112に対向する側の表面の表面粗さRzが30μm以下とされ、燃料極116における電解質層112側の部分の開口率が5%より高く、かつ、35%未満であるとされる。なお、この場合には、燃料極116が特許請求の範囲における特定電極に相当する。   Similarly, in the second embodiment, the metal support 118 is disposed on the side opposite to the electrolyte layer 112 with respect to the air electrode 114, but the metal support 118 is disposed on the electrolyte layer with respect to the fuel electrode 116. It may be arranged on the side opposite to 112. In this case, the electrolyte layer 112 is formed on the surface of the fuel electrode 116 on the side facing the electrolyte layer 112 using the fuel electrode 116 formed on the metal support 118 as a base layer. Therefore, the surface roughness Rz of the surface facing the electrolyte layer 112 in the fuel electrode 116 is set to 30 μm or less, and the opening ratio of the portion on the electrolyte layer 112 side in the fuel electrode 116 is higher than 5% and less than 35%. It is said that. In this case, the fuel electrode 116 corresponds to the specific electrode in the claims.

また、必ずしも単セル110(または110a)が金属支持体118を備える必要はない。単セル110(または110a)が金属支持体118を備えない場合には、単セル110(または110a)を構成するいずれかの層(例えば燃料極116または空気極114)によって単セル110(または110a)の機械的強度が確保される。すなわち、本発明は、金属支持型の単セル110(または110a)に限らず、他のタイプ(例えば燃料極支持型や空気極支持型)の単セル110(または110a)にも同様に適用可能である。   Further, the single cell 110 (or 110a) is not necessarily provided with the metal support 118. When the single cell 110 (or 110a) does not include the metal support 118, the single cell 110 (or 110a) is formed by any layer (for example, the fuel electrode 116 or the air electrode 114) constituting the single cell 110 (or 110a). ) Is ensured. That is, the present invention is not limited to the metal-supported single cell 110 (or 110a) but can be similarly applied to other types (for example, a fuel electrode support type or an air electrode support type) single cell 110 (or 110a). It is.

また、上記各実施形態では、電解質層112が、特定電極(燃料極116または空気極114)における上側の表面に加えて、金属支持体118における上側の表面の内、特定電極(燃料極116または空気極114)に覆われていない領域も覆うように形成されているが、他の手段(例えば、金属支持体118における周縁部を緻密とし、金属支持体118における緻密な周縁部とセパレータ120とを接合する手段)により燃料室176と空気室166との間のガスリーク抑制を実現できれば、必ずしも電解質層112が金属支持体118の表面を覆っている必要はない。   Further, in each of the above embodiments, the electrolyte layer 112 includes the specific electrode (fuel electrode 116 or the electrode among the upper surfaces of the metal support 118 in addition to the upper surface of the specific electrode (fuel electrode 116 or air electrode 114). The region not covered with the air electrode 114 is also formed so as to cover, but other means (for example, the peripheral portion of the metal support 118 is made dense, the dense peripheral portion of the metal support 118 and the separator 120 are formed. If the gas leakage suppression between the fuel chamber 176 and the air chamber 166 can be realized by means of joining the two, the electrolyte layer 112 does not necessarily have to cover the surface of the metal support 118.

また、金属支持体118と電極(燃料極116または空気極114)との間に、金属支持体118と電極との間における元素拡散を抑制する拡散抑止層が配置されるとしてもよい。拡散抑止層は、例えば、スピネル系やペロブスカイト系の電子伝導体材料により形成される。なお、拡散抑止層が燃料極雰囲気で用いられる場合には、拡散抑止層は、セリア系の電子伝導体材料により形成されてもよい。   Further, a diffusion suppression layer that suppresses element diffusion between the metal support 118 and the electrode may be disposed between the metal support 118 and the electrode (the fuel electrode 116 or the air electrode 114). The diffusion suppression layer is formed of, for example, a spinel or perovskite electron conductor material. When the diffusion suppression layer is used in the fuel electrode atmosphere, the diffusion suppression layer may be formed of a ceria-based electron conductor material.

また、空気極114と電解質層112との間に、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO)が生成されることを抑制する反応防止層が配置されるとしてもよい。反応防止層は、例えば、セリア系のイオン伝導体材料により形成される。 In addition, an element (for example, Sr) diffused from the air electrode 114 reacts with an element (for example, Zr) contained in the electrolyte layer 112 between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112, and a high resistance substance (for example, A reaction preventing layer that suppresses generation of SrZrO 3 ) may be disposed. The reaction preventing layer is formed of, for example, a ceria-based ion conductor material.

また、上記各実施形態において、必ずしも燃料電池スタック100(または電解セルスタック100a)に含まれるすべての単セル110(または110a)について、上述した表面粗さRz等に関する要件が満たされている必要はなく、燃料電池スタック100(または電解セルスタック100a)に含まれる少なくとも1つの単セル110(または110a)について、上述した要件が満たされていればよい。   Further, in each of the above-described embodiments, the requirements regarding the surface roughness Rz and the like described above need not be satisfied for all the single cells 110 (or 110a) included in the fuel cell stack 100 (or the electrolysis cell stack 100a). Instead, it is only necessary that at least one single cell 110 (or 110a) included in the fuel cell stack 100 (or electrolysis cell stack 100a) satisfies the above-described requirements.

また、上記各実施形態において、燃料電池スタック100(または電解セルスタック100a)に含まれる発電単位102(または電解単位102a)の個数(すなわち、単セル110(または110a)の個数)は、あくまで一例であり、発電単位102(または電解単位102a)の個数は燃料電池スタック100(または電解セルスタック100a)に要求される性能等に応じて適宜決められる。また、上記各実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、上記各実施形態では、電解質層112がYSZにより形成されているが、電解質層112がセリア系やLSGM系等の他の固体酸化物により形成されてもよい。   In each of the above embodiments, the number of power generation units 102 (or electrolysis units 102a) included in the fuel cell stack 100 (or electrolysis cell stack 100a) (that is, the number of single cells 110 (or 110a)) is merely an example. The number of power generation units 102 (or electrolysis units 102a) is appropriately determined according to the performance required for the fuel cell stack 100 (or electrolysis cell stack 100a). Moreover, the material which comprises each member in each said embodiment is an illustration to the last, and each member may be comprised with the other material. For example, in each of the above embodiments, the electrolyte layer 112 is formed of YSZ, but the electrolyte layer 112 may be formed of other solid oxides such as ceria-based and LSGM-based.

また、上記実施形態における単セル110(または110a)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、電解質層112が気相法以外の方法(例えば、焼成法)により形成されるとしてもよい。   Moreover, the manufacturing method of the single cell 110 (or 110a) in the said embodiment is an example to the last, and can be variously modified. For example, the electrolyte layer 112 may be formed by a method other than the vapor phase method (for example, a firing method).

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 100a:電解セルスタック 102:燃料電池発電単位 102a:電解単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:燃料電池単セル 110a:電解単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 118:金属支持体 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 132a:空気極側ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 133a:空気極側ガス排出連通孔 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 142a:燃料極側ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 143a:燃料極側ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:集電体要素 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 161a:空気極側ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 162a:空気極側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 171a:燃料極側ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 172a:燃料極側ガス排出マニホールド 176:燃料室 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 100a: Electrolytic cell stack 102: Fuel cell power generation unit 102a: Electrolysis unit 104: End plate 106: End Plate 108: Communication hole 110: Fuel cell single cell 110a: Electrolytic single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 118: Metal support 120: Separator 121: Hole 124: Junction 130: Air electrode side frame 131 : Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 132a: Air electrode side gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 133a: Air electrode side gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply Supply communication hole 142a: Fuel electrode side gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 143a: Fuel electrode side gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Current collector element 150: Interconnector 161: Oxidant Gas introduction manifold 161a: Air electrode side gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 162a: Air electrode side gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 171a: Fuel electrode side gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 172a: Fuel electrode side gas discharge manifold 176: Fuel chamber

Claims (10)

固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極における前記電解質層に対向する表面の表面粗さRzは、30μm以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
An electrolyte layer containing a solid oxide; a porous fuel electrode disposed on one side of the electrolyte layer in a first direction; and a porous electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction. In an electrochemical reaction single cell comprising an air electrode,
The electrochemical reaction unit cell characterized in that the surface roughness Rz of the surface facing the electrolyte layer in the specific electrode which is one of the fuel electrode and the air electrode is 30 μm or less.
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記特定電極における前記電解質層側の部分の開口率は、5%より高く、かつ、35%未満であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The electrochemical reaction unit cell, wherein an opening ratio of a portion on the electrolyte layer side of the specific electrode is higher than 5% and lower than 35%.
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、
前記電解質層は、前記固体酸化物としてのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the electrolyte layer includes yttria stabilized zirconia (YSZ) as the solid oxide.
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の方向における前記電解質層の厚さは、20μm以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell as described in any one of Claim 1- Claim 3,
The electrochemical reaction unit cell, wherein a thickness of the electrolyte layer in the first direction is 20 μm or less.
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において、
前記電解質層における粒子の成長方向は、前記特定電極の前記電解質層に対向する表面に対して、75度以上、90度以下の傾斜角度を有する方向であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4,
The growth direction of the particles in the electrolyte layer is a direction having an inclination angle of 75 degrees or more and 90 degrees or less with respect to the surface of the specific electrode facing the electrolyte layer. cell.
請求項3に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層を対象とし、CoKα線を用いたXRD測定により得られるYSZ回折線の半値全幅(FWHM)は、0.2deg以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 3,
A single cell for electrochemical reaction, wherein the full width at half maximum (FWHM) of a YSZ diffraction line obtained by XRD measurement using CoKα rays is 0.2 deg or less for the electrolyte layer.
請求項1から請求項6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、さらに、
前記特定電極に対して前記電解質層とは反対側に配置され、前記電気化学反応単セルを支持する多孔質な金属支持体を備えることを特徴とする、電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 6, further comprising:
An electrochemical reaction single cell comprising a porous metal support disposed on the opposite side of the electrolyte layer with respect to the specific electrode and supporting the electrochemical reaction single cell.
前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単セルを備え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7までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction,
The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to claim 1.
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルの製造方法において、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極であって、一の表面の表面粗さRzが30μm以下である前記特定電極を準備する工程と、
前記特定電極の前記一の表面に、気相法により前記電解質層を形成する工程と、
前記電解質層の前記特定電極に対向する側とは反対側に、前記燃料極と前記空気極との他方の電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。
An electrolyte layer containing a solid oxide; a porous fuel electrode disposed on one side of the electrolyte layer in a first direction; and a porous electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction. In a method for producing an electrochemical reaction single cell comprising an air electrode,
Preparing the specific electrode which is one of the fuel electrode and the air electrode, the surface roughness Rz of one surface being 30 μm or less;
Forming the electrolyte layer on the one surface of the specific electrode by a vapor phase method;
Forming the other electrode of the fuel electrode and the air electrode on the opposite side of the electrolyte layer from the side facing the specific electrode;
A method for producing an electrochemical reaction single cell, comprising:
請求項9に記載の電気化学反応単セルの製造方法において、
前記気相法は、スパッタプロセスであることを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。
In the manufacturing method of the electrochemical reaction single cell according to claim 9,
The method for producing an electrochemical reaction single cell, wherein the vapor phase method is a sputtering process.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022146309A (en) * 2021-03-22 2022-10-05 森村Sofcテクノロジー株式会社 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
DE102022121234A1 (en) 2021-09-10 2023-03-16 Morimura Sofc Technology Co., Ltd. Electrochemical reaction cell stack
WO2024225534A1 (en) * 2023-04-28 2024-10-31 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Solid oxide cell

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0725658A (en) * 1993-07-07 1995-01-27 Res Dev Corp Of Japan Functionally graded material and its sintered product
JPH10231188A (en) * 1997-02-24 1998-09-02 Ngk Insulators Ltd Production of ceramic member
JP2005078951A (en) * 2003-09-01 2005-03-24 Nissan Motor Co Ltd Single cell for solid oxide fuel cell and method for producing the same
JP2007012361A (en) * 2005-06-29 2007-01-18 Nissan Motor Co Ltd Solid oxide fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0725658A (en) * 1993-07-07 1995-01-27 Res Dev Corp Of Japan Functionally graded material and its sintered product
JPH10231188A (en) * 1997-02-24 1998-09-02 Ngk Insulators Ltd Production of ceramic member
JP2005078951A (en) * 2003-09-01 2005-03-24 Nissan Motor Co Ltd Single cell for solid oxide fuel cell and method for producing the same
JP2007012361A (en) * 2005-06-29 2007-01-18 Nissan Motor Co Ltd Solid oxide fuel cell

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022146309A (en) * 2021-03-22 2022-10-05 森村Sofcテクノロジー株式会社 Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
DE102022121234A1 (en) 2021-09-10 2023-03-16 Morimura Sofc Technology Co., Ltd. Electrochemical reaction cell stack
WO2024225534A1 (en) * 2023-04-28 2024-10-31 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Solid oxide cell

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