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JP2018137206A - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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JP2018137206A
JP2018137206A JP2017070327A JP2017070327A JP2018137206A JP 2018137206 A JP2018137206 A JP 2018137206A JP 2017070327 A JP2017070327 A JP 2017070327A JP 2017070327 A JP2017070327 A JP 2017070327A JP 2018137206 A JP2018137206 A JP 2018137206A
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Abstract

【課題】電気化学反応単位の性能を向上させる。【解決手段】電気化学反応単位102は、電解質層112と、電解質層に対して第1の方向の一方側に配置された燃料極116と、電解質層に対して第1の方向の他方側に配置された空気極114と、を有する単セルを備える。空気極は、空気極における第1の方向の他方側の表面を構成する第1の空気極層210と、第1の空気極層と電解質層との間に配置された第2の空気極層220とを含む。電気化学反応単位は、さらに、第1の空気極層における第1の方向の他方側の表面に接する複数の凸部192を有する集電体190を備える。第1の空気極層の気孔率は、30%以上である。複数の凸部の内の特定凸部について、特定凸部の第1の空気極層に接する部分の幅γに対する空気極の厚さβの比(β/γ)は0.07以上であり、該幅γに対する第1の空気極層の厚さδの比(δ/γ)は0.06以上である。【選択図】図14PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the performance of an electrochemical reaction unit. An electrochemical reaction unit (102) includes an electrolyte layer (112), a fuel electrode (116) arranged on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer, and a fuel electrode (116) on the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer. And a single cell having an air electrode 114 arranged. The air electrode includes a first air electrode layer 210 that constitutes the other surface of the air electrode in the first direction, and a second air electrode layer that is arranged between the first air electrode layer and the electrolyte layer. 220 and. The electrochemical reaction unit further includes a current collector 190 having a plurality of protrusions 192 in contact with the surface of the first air electrode layer on the other side in the first direction. The porosity of the first air electrode layer is 30% or more. Regarding the specific convex portion of the plurality of convex portions, the ratio (β/γ) of the thickness β of the air electrode to the width γ of the portion of the specific convex portion in contact with the first air electrode layer is 0.07 or more, The ratio (δ/γ) of the thickness δ of the first air electrode layer to the width γ is 0.06 or more. [Selection diagram] Fig. 14

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。   The technology disclosed herein relates to electrochemical reaction units.

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発電単位は、燃料電池単セルを備える。燃料電池単セルは、電解質層と、電解質層に対して所定の方向(以下、「第1の方向」という)の一方側に配置された燃料極と、電解質層に対して第1の方向の他方側に配置された空気極とを含む。   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 power generation unit that is a constituent unit of SOFC includes a single fuel cell. The fuel cell unit cell includes an electrolyte layer, a fuel electrode disposed on one side of a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) with respect to the electrolyte layer, and a first direction with respect to the electrolyte layer. And an air electrode disposed on the other side.

また、燃料電池発電単位は、燃料電池単セルを構成する空気極に対向する位置に配置された導電性の集電体を備える。集電体は、燃料電池単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。集電体は、空気極における第1の方向の上記他方側の表面に接する複数の凸部を有する。発電運転時には、空気極の該表面と集電体の各凸部とが接する部分において、空気極と集電体との間の電子のやりとりが行われる。また、空気極に面する空気室に供給された酸化剤ガスは、空気極の該表面の内、集電体の各凸部と接しない(各凸部に覆われていない)部分から空気極内に流入する。   The fuel cell power generation unit includes a conductive current collector disposed at a position facing the air electrode constituting the fuel cell single cell. The current collector is a member for taking out the electric power generated by the power generation reaction in the single fuel cell. The current collector has a plurality of convex portions in contact with the surface on the other side in the first direction of the air electrode. During the power generation operation, electrons are exchanged between the air electrode and the current collector at a portion where the surface of the air electrode is in contact with each convex portion of the current collector. In addition, the oxidant gas supplied to the air chamber facing the air electrode from the portion of the surface of the air electrode that is not in contact with each convex portion of the current collector (not covered by each convex portion). Flows in.

従来、燃料電池発電単位の性能を向上させるため、空気極の厚さ(第1の方向における厚さ)の好ましい範囲が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, in order to improve the performance of the fuel cell power generation unit, a preferable range of the thickness of the air electrode (thickness in the first direction) has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2013−229311号公報JP 2013-229511 A

しかし、従来のように空気極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、燃料電池発電単位の性能を十分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。   However, simply considering the preferable range of the thickness of the air electrode as in the past, the performance of the fuel cell power generation unit cannot be sufficiently improved, and there is room for further performance improvement.

また、一般に、上述した構成の燃料電池発電単位は、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セル単位としても使用可能である。燃料電池発電単位を電解セル単位として使用する際には、空気極がプラス(陽極)で燃料極がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧を印加し、燃料極に面する燃料室に水蒸気を供給する。これにより、燃料電池単セル(この場合には、電解単セルとして機能する)において水の電気分解反応が起こり、燃料極で水素が発生する。燃料電池発電単位を電解セル単位として使用する場合においても、従来のように空気極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、性能を十分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。   In general, the fuel cell power generation unit configured as described above is an electrolytic cell that is a structural unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. It can also be used as a unit. When a fuel cell power generation unit is used as an electrolysis cell unit, a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode is positive (anode) and the fuel electrode is negative (cathode), and the fuel chamber faces the fuel electrode. To supply water vapor. Thereby, an electrolysis reaction of water occurs in the fuel cell single cell (in this case, functioning as an electrolytic single cell), and hydrogen is generated at the fuel electrode. Even when the fuel cell power generation unit is used as an electrolysis cell unit, the performance cannot be sufficiently improved only by considering the preferable range of the thickness of the air electrode as in the past, and there is room for further performance improvement. is there.

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び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、複数の燃料電池単セル(燃料電池発電単位)を備える燃料電池スタックと複数の電解単セル(電解セル単位)を備える電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。 In this specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis unit cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit cell, and the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. A fuel cell stack including a single cell (fuel cell power generation unit) and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells (electrolytic cell unit) are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack.

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位は、電解質層と、前記電解質層に対して第1の方向の一方側に配置された燃料極と、前記電解質層に対して前記第1の方向の他方側に配置された空気極であって、前記空気極における前記第1の方向の前記他方側の表面を構成する第1の空気極層と、前記第1の空気極層と前記電解質層との間に配置された第2の空気極層と、を含む前記空気極と、を備える電気化学反応単セルと、前記第1の空気極層における前記第1の方向の前記他方側の表面に接する複数の凸部を有する導電性の集電体と、を備える電気化学反応単位において、前記第1の空気極層の気孔率は、30%以上であり、前記複数の凸部の内の少なくとも1つである特定凸部について、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記特定凸部の前記第1の空気極層に接する部分の幅γに対する、前記第1の方向における前記空気極の厚さβの比である第1の比率(β/γ)は、0.07以上であり、かつ、前記幅γに対する、前記第1の方向における前記第1の空気極層の厚さδの比である第2の比率(δ/γ)は、0.06以上である。本電気化学反応単位では、空気極における第1の方向の他方側の表面を構成する第1の空気極層の気孔率が30%以上であるため、電気化学反応単位を燃料電池発電単位として使用する際(以下、「FCモード」という)においては、空気極における反応場として機能する第2の空気極層での電気化学反応に使用される酸化剤ガスを第1の空気極層内に良好に進入させることができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができ、また、電気化学反応単位を電解セル単位として使用する際(以下、「ECモード」という)においては、第2の空気極層での電気化学反応により発生した酸素が第1の空気極層内を良好に通過するようにすることができ、酸素が滞留して空気極に圧力がかかることによる空気極の剥離を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第2の比率(δ/γ)がある程度大きいことから、第1の空気極層の厚さδがある程度厚く、および/または、集電体の特定凸部の第1の空気極層に接する部分の幅γがある程度狭い構成であるため、FCモードにおいて、第1の空気極層内に流入した酸化剤ガスが第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って流れるときに、第2の空気極層の厚さ方向の全体にわたって、酸化剤ガスが到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第1の比率(β/γ)がある程度大きいことから、空気極の厚さβがある程度厚く、および/または、集電体の特定凸部の第1の空気極層に接する部分の幅γがある程度狭い構成であるため、ECモードにおいて、第2の空気極層で発生した酸素が第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って空気室に向けて流れるときに、第2の空気極層の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した酸素が空気室に排出されにくい領域を減らすことができ、酸素が滞留して空気極に圧力がかかることによる空気極の剥離を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (1) The electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, a fuel electrode disposed on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer, and the first with respect to the electrolyte layer. An air electrode disposed on the other side of the air electrode, the first air electrode layer constituting the surface of the other side of the air electrode in the first direction, the first air electrode layer, and the air electrode An electrochemical reaction unit cell comprising: a second air electrode layer disposed between the electrolyte layer; and the other side of the first air electrode layer in the first direction. And a conductive current collector having a plurality of convex portions in contact with the surface of the first electrode, the porosity of the first air electrode layer is 30% or more, and the plurality of convex portions A specific convex portion that is at least one of the two in a second direction orthogonal to the first direction. The first ratio (β / γ), which is the ratio of the thickness β of the air electrode in the first direction to the width γ of the portion of the specific convex portion in contact with the first air electrode layer, is 0. The second ratio (δ / γ), which is a ratio of the thickness δ of the first air electrode layer in the first direction to the width γ, is 0.06 or more. . In this electrochemical reaction unit, the porosity of the first air electrode layer constituting the other surface of the air electrode in the first direction is 30% or more, so the electrochemical reaction unit is used as a fuel cell power generation unit. When performing (hereinafter referred to as “FC mode”), the oxidant gas used for the electrochemical reaction in the second air electrode layer functioning as a reaction field in the air electrode is excellent in the first air electrode layer. In the case where the electrochemical reaction unit is used as an electrolysis cell unit (hereinafter referred to as “EC mode”), the second air electrode can be suppressed. Oxygen generated by the electrochemical reaction in the layer can be favorably passed through the first air electrode layer, and the separation of the air electrode due to the retention of oxygen and pressure on the air electrode is suppressed. be able to. Further, in the present electrochemical reaction unit, since the second ratio (δ / γ) is somewhat large, the thickness δ of the first air electrode layer is somewhat thick and / or the specific convex portion of the current collector Since the width γ of the portion in contact with the first air electrode layer is narrow to some extent, in the FC mode, the direction in which the oxidant gas flowing into the first air electrode layer has a certain degree of inclination with respect to the first direction. , The region where the oxidant gas is difficult to reach can be reduced throughout the thickness direction of the second air electrode layer, and an increase in gas diffusion polarization can be suppressed. In addition, since the first reaction ratio (β / γ) is large to some extent in the electrochemical reaction unit, the thickness β of the air electrode is somewhat thick and / or the first air of the specific convex portion of the current collector In the EC mode, oxygen generated in the second air electrode layer is directed toward the air chamber along a direction in which the inclination with respect to the first direction is within a certain range because the width γ of the portion in contact with the electrode layer is somewhat narrow. This is because the oxygen generated in the second air electrode layer is less likely to be discharged into the air chamber over the entire thickness direction of the second air electrode layer, and oxygen is retained and pressure is applied to the air electrode. Separation of the air electrode can be suppressed. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.

(2)上記電気化学反応単位において、前記特定凸部について、前記第2の方向における前記特定凸部と前記特定凸部の隣に位置する前記凸部との間の最短距離αに対する、前記第1の方向における前記空気極の厚さβの比である第3の比率(β/α)は、0.035以上であり、かつ、前記最短距離αに対する、前記第1の方向における前記第1の空気極層の厚さδの比である第4の比率(δ/α)は、0.02以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位は、第4の比率(δ/α)がある程度大きいことから、第1の空気極層の厚さδがある程度厚く、および/または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、FCモードにおいて、第1の空気極層内に進入した電子が第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って移動するときに、第2の空気極層の厚さ方向の全体にわたって、電子が到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第3の比率(β/α)がある程度大きいことから、空気極の厚さβがある程度厚く、および/または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、ECモードにおいて、第2の空気極層で発生した電子が第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って集電体に向けて流れるときに、第2の空気極層の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した電子が集電体の凸部に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, with respect to the specific convex portion, the first relative to the shortest distance α between the specific convex portion and the convex portion located next to the specific convex portion in the second direction. The third ratio (β / α), which is the ratio of the thickness β of the air electrode in the direction 1, is 0.035 or more, and the first ratio in the first direction with respect to the shortest distance α. The fourth ratio (δ / α), which is the ratio of the thickness δ of the air electrode layer, may be 0.02 or more. In the present electrochemical reaction unit, the fourth ratio (δ / α) is large to some extent, so that the thickness δ of the first air electrode layer is thick to some extent, and / or the convex and convex portions of the current collector In the FC mode, when the electrons that have entered the first air electrode layer move along a direction in which the inclination with respect to the first direction is within a certain range, in the FC mode, The region where electrons are difficult to reach can be reduced over the entire thickness direction of the second air electrode layer, and an increase in activation polarization can be suppressed. In addition, since the third ratio (β / α) is large to some extent in the electrochemical reaction unit, the thickness β of the air electrode is somewhat thick and / or between the convex portion and convex portion of the current collector. In the EC mode, when electrons generated in the second air electrode layer flow toward the current collector along the direction of a certain range in the EC mode. In addition, it is possible to reduce the region in which the electrons generated there hardly reach the convex portions of the current collector throughout the thickness direction of the second air electrode layer, and suppress an increase in activation polarization. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be effectively improved.

(3)上記電気化学反応単位において、前記特定凸部について、前記第1の比率(β/γ)は、0.16以下であり、かつ、前記第2の比率(δ/γ)は、0.14以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第2の比率(δ/γ)の上限が設定されていることから、第1の空気極層の厚さδが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の特定凸部の第1の空気極層に接する部分の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、FCモードにおいて酸化剤ガスの拡散経路が過度に長くなることによるガス拡散分極の増大を抑制することができると共に、応力集中による空気極の破損を抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第1の比率(β/γ)の上限が設定されていることから、空気極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の特定凸部の第1の空気極層に接する部分の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、ECモードにおける酸素の排出経路が過度に長くなり、空気極に圧力がかかることによる空気極の剥離を抑制することができると共に、応力集中による空気極の破損を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。 (3) In the electrochemical reaction unit, for the specific convex portion, the first ratio (β / γ) is 0.16 or less, and the second ratio (δ / γ) is 0. .14 or less. According to this electrochemical reaction unit, since the upper limit of the second ratio (δ / γ) is set, the thickness δ of the first air electrode layer can be suppressed from becoming excessively thick, and / or Alternatively, since the width γ of the portion of the specific convex portion of the current collector that is in contact with the first air electrode layer can be suppressed from being excessively narrow, the gas due to the excessively long diffusion path of the oxidant gas in the FC mode. An increase in diffusion polarization can be suppressed, and breakage of the air electrode due to stress concentration can be suppressed. Further, according to the present electrochemical reaction unit, since the upper limit of the first ratio (β / γ) is set, it is possible to suppress the thickness β of the air electrode from becoming excessively thick, and / or Since it is possible to suppress the width γ of the portion of the specific convex portion of the current collector that is in contact with the first air electrode layer from being excessively narrow, the oxygen discharge path in the EC mode is excessively long and pressure is applied to the air electrode. As a result, it is possible to suppress separation of the air electrode and to prevent damage to the air electrode due to stress concentration. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved.

(4)上記電気化学反応単位において、前記特定凸部について、前記第3の比率(β/α)は、0.05以上であり、かつ、前記第4の比率(δ/α)は、0.04以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第4の比率(δ/α)がさらに大きいことから、第1の空気極層の厚さδをより厚くする、および/または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αをより短くすることができるため、FCモードにおいて、第2の空気極層の厚さ方向の全体にわたって、電子が到達しにくい領域をさらに効果的に減らすことができ、活性化分極の増大をさらに効果的に抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第3の比率(β/α)がさらに大きいことから、空気極の厚さβをより厚くする、および/または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αをより短くすることができるため、ECモードにおいて、第2の空気極層の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した電子が集電体の凸部に到達しにくい領域をさらに効果的に減らすことができ、活性化分極の増大をさらに効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能をより一層効果的に向上させることができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, for the specific convex portion, the third ratio (β / α) is 0.05 or more, and the fourth ratio (δ / α) is 0. .04 or more. According to the present electrochemical reaction unit, since the fourth ratio (δ / α) is even larger, the thickness δ of the first air electrode layer is made thicker and / or the convex portion of the current collector and Since the shortest distance α between the convex portions can be further shortened, in the FC mode, the region in which electrons are difficult to reach can be more effectively reduced throughout the thickness direction of the second air electrode layer. And increase in activation polarization can be more effectively suppressed. Further, according to the present electrochemical reaction unit, since the third ratio (β / α) is further increased, the thickness β of the air electrode is increased, and / or the convex portion and the convex portion of the current collector In the EC mode, the generated electrons are unlikely to reach the convex portions of the current collector throughout the thickness direction of the second air electrode layer in the EC mode. Can be more effectively reduced, and an increase in activation polarization can be more effectively suppressed. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved.

(5)上記電気化学反応単位において、前記特定凸部について、前記第3の比率(β/α)は、0.13以下であり、かつ、前記第4の比率(δ/α)は、0.12以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第4の比率(δ/α)の上限が設定されていることから、第1の空気極層の厚さδが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制できるため、FCモードにおいて酸化剤ガスの拡散経路が過度に長くなったり第1の空気極層における集電体の凸部に覆われていない部分の面積が過度に小さくなったりすることによるガス拡散分極の増大を効果的に抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第3の比率(β/α)の上限が設定されていることから、空気極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制できるため、ECモードにおいて酸素の排出経路が過度に長くなったり第1の空気極層における集電体の凸部に覆われていない部分の面積が過度に小さくなったりすることにより、空気極の圧力が高まって空気極に剥離が生じることを効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を極めて効果的に向上させることができる。 (5) In the electrochemical reaction unit, for the specific convex portion, the third ratio (β / α) is 0.13 or less, and the fourth ratio (δ / α) is 0. .12 or less may be adopted. According to this electrochemical reaction unit, since the upper limit of the fourth ratio (δ / α) is set, it is possible to suppress the thickness δ of the first air electrode layer from becoming excessively thick, and / or Or since it can suppress that the shortest distance (alpha) between the convex part of an electrical power collector becomes too short, in the FC mode, the diffusion path | route of oxidizing gas becomes too long, or the 1st air electrode layer It is possible to effectively suppress an increase in gas diffusion polarization due to an excessively small area of a portion not covered by the convex portion of the current collector. Further, according to the present electrochemical reaction unit, since the upper limit of the third ratio (β / α) is set, it is possible to suppress the thickness β of the air electrode from becoming excessively thick, and / or Since it can suppress that the shortest distance (alpha) between the convex part of an electrical power collector becomes short too much, in the EC mode, the discharge path | route of oxygen becomes long too much, or the electrical power collector in a 1st air electrode layer When the area of the portion that is not covered with the convex portion becomes excessively small, it is possible to effectively suppress the separation of the air electrode due to an increase in the pressure of the air electrode. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved extremely effectively.

(6)上記電気化学反応単位において、前記空気極における前記第1の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記空気極における前記第1の方向の前記一方側の部分の気孔率より高い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、反応場(三相界面長さ)を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。 (6) In the electrochemical reaction unit, the porosity of the other side portion of the air electrode in the first direction is higher than the porosity of the one side portion of the air electrode in the first direction. It is good also as a structure. According to this electrochemical reaction unit, an increase in gas diffusion polarization can be suppressed while ensuring a reaction field (three-phase interface length).

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、電気化学反応単位(燃料電池発電単位および/または電解セル単位)、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックおよび/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 the present specification can be realized in various forms. For example, an electrochemical reaction unit (a fuel cell power generation unit and / or an electrolytic cell unit), a plurality of electrochemical reaction units are included. It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack and / or electrolysis cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.

実施形態における電気化学反応セルスタック100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 electrochemical reaction cell stack 100 in embodiment. 図1のII−IIの位置における電気化学反応セルスタック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 electrochemical reaction cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 図1のIII−IIIの位置における電気化学反応セルスタック100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 electrochemical reaction cell stack 100 in the position of III-III of FIG. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの反応単位102のXZ断面構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two reaction units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの反応単位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 reaction units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 図4のVI−VIの位置における反応単位102のXY断面構成を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a reaction unit 102 at a position VI-VI in FIG. 4. 図4のVII−VIIの位置における反応単位102のXY断面構成を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a reaction unit 102 at a position VII-VII in FIG. 4. 凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αの特定に用いる断面SE1を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows cross section SE1 used for specification of the convex part contact part width | variety (gamma) and the shortest distance between convex parts (alpha). 凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αの特定に用いる断面SE1を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows cross section SE1 used for specification of the convex part contact part width | variety (gamma) and the shortest distance between convex parts (alpha). 凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αの測定位置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measurement position of convex part contact part width | variety (gamma) and the shortest distance between convex parts (alpha). 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result. 第2の比率R2(=δ/γ)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 2nd ratio R2 (= delta / gamma) and the performance in FC mode. 第2の比率R2(=δ/γ)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 2nd ratio R2 (= delta / gamma) and the performance in FC mode. 第2の比率R2(=δ/γ)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 2nd ratio R2 (= delta / gamma) and the performance in FC mode. 第1の比率R1(=β/γ)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 1st ratio R1 (= (beta) / (gamma)) and the performance in EC mode. 第1の比率R1(=β/γ)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 1st ratio R1 (= (beta) / (gamma)) and the performance in EC mode. 第1の比率R1(=β/γ)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 1st ratio R1 (= (beta) / (gamma)) and the performance in EC mode. 第4の比率R4(=δ/α)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 4th ratio R4 (= (delta) / (alpha)) and the performance in FC mode. 第4の比率R4(=δ/α)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 4th ratio R4 (= (delta) / (alpha)) and the performance in FC mode. 第4の比率R4(=δ/α)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 4th ratio R4 (= (delta) / (alpha)) and the performance in FC mode. 第3の比率R3(=β/α)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 3rd ratio R3 (= (beta) / (alpha)) and the performance in EC mode. 第3の比率R3(=β/α)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 3rd ratio R3 (= (beta) / (alpha)) and the performance in EC mode. 第3の比率R3(=β/α)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 3rd ratio R3 (= (beta) / (alpha)) and the performance in EC mode. 空気極114の各層の気孔率の特定方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific method of the porosity of each layer of the air electrode 114. FIG. 変形例における集電体190付近の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the electrical power collector 190 vicinity in a modification.

A.実施形態:
A−1.構成:
(電気化学反応セルスタック100の構成)
図1は、実施形態における電気化学反応セルスタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図6,7)のII−IIの位置における電気化学反応セルスタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における電気化学反応セルスタック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、電気化学反応セルスタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of electrochemical reaction cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of an electrochemical reaction cell stack 100 in the embodiment, and FIG. 2 is an electrochemical reaction cell stack at a position II-II in FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). FIG. 3 is an explanatory diagram showing an XZ sectional configuration of 100, and FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ sectional configuration of the electrochemical reaction cell stack 100 at the position of III-III in FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). . In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for convenience, the positive Z-axis direction is referred to as the upward direction, and the negative Z-axis direction is referred to as the downward direction. However, the electrochemical reaction cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed in the direction. The same applies to FIG.

電気化学反応セルスタック100は、燃料電池スタックとしても電解セルスタックとしても使用可能な装置(いわゆる、リバーシブル型の電気化学反応セルスタック)である。すなわち、電気化学反応セルスタック100は、第1のモード(以下、「FCモード」という)においては、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スタックとして機能し、第2のモード(以下、「ECモード」という)においては、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルスタックとして機能する。   The electrochemical reaction cell stack 100 is a device (so-called reversible electrochemical reaction cell stack) that can be used as a fuel cell stack or an electrolytic cell stack. That is, the electrochemical reaction cell stack 100 functions as a fuel cell stack that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the first mode (hereinafter referred to as “FC mode”). In this mode (hereinafter referred to as “EC mode”), it functions as an electrolytic cell stack that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water.

電気化学反応セルスタック100は、複数の(本実施形態では7つの)電気化学反応単位(以下、単に「反応単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの反応単位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つの反応単位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 electrochemical reaction cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of electrochemical reaction units (hereinafter simply referred to as “reaction units”) 102 and a pair of end plates 104 and 106. The seven reaction units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven reaction units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

電気化学反応セルスタック100を構成する各層(反応単位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を構成するために電気化学反応セルスタック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 periphery of each layer (reaction unit 102, end plates 104, 106) constituting the electrochemical reaction cell stack 100 around the Z direction. The corresponding holes formed in each layer 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 electrochemical reaction cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as the communication holes 108.

各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、電気化学反応セルスタック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と電気化学反応セルスタック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と電気化学反応セルスタック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 electrochemical reaction 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 electrochemical reaction cell stack 100, and The insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the bolt 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the electrochemical reaction 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、電気化学反応セルスタック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、FCモードにおいて電気化学反応セルスタック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を各反応単位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、FCモードにおいて各反応単位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を電気化学反応セルスタック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 vicinity of the midpoint of one side (the side on the X-axis positive direction of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction of the electrochemical reaction cell stack 100 The space formed by the bolt 22 (bolt 22A) located at the position and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidizing gas OG from the outside of the electrochemical reaction cell stack 100 in the FC mode. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path for supplying the oxidant gas OG to each reaction unit 102, and is on the opposite side of the side (the negative direction of the X axis of two sides parallel to the Y axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) located near the midpoint of the side edge and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted is the air chamber 1 of each reaction unit 102 in the FC mode. To function as a gas discharged from 6 oxidant off-gas OOG as the oxidant gas discharge manifold 162 for discharging to the outside of the electrochemical reaction 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、電気化学反応セルスタック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、FCモードにおいて電気化学反応セルスタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各反応単位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、FCモードにおいて各反応単位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を電気化学反応セルスタック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, in one side (a side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery around the Z direction of the electrochemical reaction cell stack 100. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located near the point and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted, the fuel gas FG is introduced from the outside of the electrochemical reaction cell stack 100 in the FC mode. It functions as a fuel gas introduction manifold 171 for supplying the fuel gas FG to each reaction unit 102, and is located in the opposite side of the side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). A space formed by the bolt 22 (bolt 22E) located near the point and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is discharged from the fuel chamber 176 of each reaction unit 102 in the FC mode. The fuel off-gas FOG is gas serving as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the electrochemical reaction cell stack 100. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

なお、上述したように、本明細書では、各マニホールドをFCモードにおける機能を表す名称で呼ぶものとする。また、図1〜図7に示されたガスの流れ方向は、FCモードにおけるガスの流れ方向である。ECモードにおいては、酸化剤ガス排出マニホールド162は、各反応単位102の空気極114において発生した酸素を空気室166から電気化学反応セルスタック100の外部へと排出するガス流路として機能し、酸化剤ガス導入マニホールド161は、空気室166からの酸素の排出を促すための回収ガス(例えば空気)を電気化学反応セルスタック100の外部から各反応単位102の空気室166に供給するガス流路として機能する。また、ECモードにおいては、燃料ガス導入マニホールド171は、電気化学反応セルスタック100の外部から各反応単位102の燃料室176に水蒸気を供給するガス流路として機能し、燃料ガス排出マニホールド172は、各反応単位102の燃料極116において発生した水素を燃料室176から電気化学反応セルスタック100の外部へと排出するガス流路として機能する。   Note that, as described above, in this specification, each manifold is referred to by a name representing a function in the FC mode. Moreover, the gas flow direction shown in FIGS. 1 to 7 is the gas flow direction in the FC mode. In the EC mode, the oxidant gas discharge manifold 162 functions as a gas flow path for discharging oxygen generated in the air electrode 114 of each reaction unit 102 from the air chamber 166 to the outside of the electrochemical reaction cell stack 100, The agent gas introduction manifold 161 serves as a gas flow path for supplying a recovered gas (for example, air) for promoting the discharge of oxygen from the air chamber 166 from the outside of the electrochemical reaction cell stack 100 to the air chamber 166 of each reaction unit 102. Function. In the EC mode, the fuel gas introduction manifold 171 functions as a gas flow path for supplying water vapor to the fuel chamber 176 of each reaction unit 102 from the outside of the electrochemical reaction cell stack 100, and the fuel gas discharge manifold 172 It functions as a gas flow path for discharging hydrogen generated in the fuel electrode 116 of each reaction unit 102 from the fuel chamber 176 to the outside of the electrochemical reaction cell stack 100.

電気化学反応セルスタック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 electrochemical reaction 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、最も上に位置する反応単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する反応単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の反応単位102が押圧された状態で挟持されている。FCモードにおいては、上側のエンドプレート104は、電気化学反応セルスタック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、電気化学反応セルスタック100のマイナス側の出力端子として機能する。また、ECモードにおいては、上側のエンドプレート104は、電気化学反応セルスタック100のプラス側の入力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、電気化学反応セルスタック100のマイナス側の入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 above the uppermost reaction unit 102, and the other end plate 106 is disposed below the lowermost reaction unit 102. A plurality of reaction units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. In the FC mode, the upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the electrochemical reaction cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the electrochemical reaction cell stack 100. To do. In the EC mode, the upper end plate 104 functions as a positive input terminal of the electrochemical reaction cell stack 100, and the lower end plate 106 serves as a negative input terminal of the electrochemical reaction cell stack 100. Function as.

(反応単位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つの反応単位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つの反応単位102のYZ断面構成を示す説明図である。図5の上部には、反応単位102の一部分のYZ断面構成が拡大して示されている。また、図6は、図4のVI−VIの位置における反応単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4のVII−VIIの位置における反応単位102のXY断面構成を示す説明図である。
(Configuration of reaction unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two reaction 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. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of two reaction units 102. In the upper part of FIG. 5, an enlarged YZ cross-sectional configuration of a part of the reaction unit 102 is shown. 6 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of the reaction unit 102 at the position VI-VI in FIG. 4, and FIG. 7 shows an XY cross-sectional configuration of the reaction unit 102 at the position VII-VII in FIG. It is explanatory drawing shown.

反応単位102は、FCモードにおいては燃料電池発電単位として機能し、ECモードにおいては電解セル単位として機能する。図4および図5に示すように、反応単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、反応単位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。   The reaction unit 102 functions as a fuel cell power generation unit in the FC mode, and functions as an electrolysis cell unit in the EC mode. As shown in FIGS. 4 and 5, the reaction unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, a fuel electrode side frame 140, and a fuel electrode side. A current collector 144 and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the reaction 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、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、反応単位102間の電気的導通を確保すると共に、反応単位102間でのガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの反応単位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つの反応単位102に共有されている。すなわち、ある反応単位102における上側のインターコネクタ150は、その反応単位102の上側に隣接する他の反応単位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、電気化学反応セルスタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、電気化学反応セルスタック100において最も上に位置する反応単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する反応単位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, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the reaction units 102 and prevents gas mixing between the reaction units 102. In this embodiment, when two reaction units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent reaction units 102. That is, the upper interconnector 150 in a certain reaction unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another reaction unit 102 adjacent to the upper side of the reaction unit 102. In addition, since the electrochemical reaction cell stack 100 includes the pair of end plates 104 and 106, the reaction unit 102 located at the top in the electrochemical reaction cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, and the most. The lower reaction unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

単セル110は、FCモードにおいては燃料電池単セルとして機能し、ECモードにおいては電解単セルとして機能する。単セル110は、電解質層112と、電解質層112の上下方向(第1の方向)の一方側(下側)に配置された燃料極116と、電解質層112の上下方向の他方側(上側)に配置された空気極114と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層180)を支持する燃料極支持形の単セルである。   The single cell 110 functions as a fuel cell single cell in the FC mode, and functions as an electrolytic single cell in the EC mode. The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, a fuel electrode 116 disposed on one side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the vertical direction (first direction), and the other side (upper side) of the electrolyte layer 112 in the vertical direction. And an intermediate layer 180 disposed between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. The single cell 110 of this embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the other layers (the electrolyte layer 112, the air electrode 114, and the intermediate layer 180) constituting the single cell 110 with the fuel electrode 116.

電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。すなわち、本実施形態の単セル110(反応単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形の燃料電池(SOFC)または電解セル(SOEC)である。   The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate member as viewed in the Z direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide, and the like. Yes. That is, the single cell 110 (reaction unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) or electrolytic cell (SOEC) using a solid oxide as an electrolyte.

空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。図5に示すように、本実施形態では、空気極114は、空気極114における上側の表面(後述する集電体190に対向する側の表面)を構成する集電層210と、集電層210と電解質層112(および中間層180)との間に配置された活性層220とから構成されている。活性層220は、主として、空気極114における反応(FCモードにおいては酸素から酸化物イオンが生成される反応、ECモードにおいては酸化物イオンから酸素が生成される反応)の場として機能する層である。また、集電層210は、主として、空気室166から供給された酸化剤ガスOG、または、活性層220において発生した酸素ガスを拡散させると共に、電気を集電(または送電)する場として機能する層である。活性層220は、例えば、LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)等のペロブスカイト型酸化物とGDC(ガドリニウムドープセリア)とを含むように形成されている。また、集電層210は、例えば、LSCF等のペロブスカイト型酸化物を含むように形成されている。集電層210は、特許請求の範囲における第1の空気極層に相当し、活性層220は、特許請求の範囲における第2の空気極層に相当する。   The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the air electrode 114 includes a current collecting layer 210 that constitutes an upper surface of the air electrode 114 (a surface facing a current collector 190 described later), and a current collecting layer. 210 and an active layer 220 disposed between the electrolyte layer 112 (and the intermediate layer 180). The active layer 220 is a layer that mainly functions as a field for the reaction at the air electrode 114 (reaction in which oxide ions are generated from oxygen in the FC mode, and reaction in which oxygen ions are generated from the oxide ions in the EC mode). is there. The current collecting layer 210 mainly functions as a field for collecting (or transmitting) electricity while diffusing the oxidant gas OG supplied from the air chamber 166 or the oxygen gas generated in the active layer 220. Is a layer. The active layer 220 is formed to include, for example, a perovskite oxide such as LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide) and GDC (gadolinium doped ceria). The current collecting layer 210 is formed so as to include a perovskite oxide such as LSCF, for example. The current collecting layer 210 corresponds to the first air electrode layer in the claims, and the active layer 220 corresponds to the second air electrode layer in the claims.

本実施形態では、集電層210の気孔率RO1は活性層220の気孔率RO2より高い。すなわち、空気極114における上側の部分の気孔率は、空気極114における下側の部分の気孔率より高い。なお、集電層210および活性層220における気孔率は、Z軸方向に平行な方向において概ね一様である。このような構成によれば、反応場(三相界面長さ)を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。集電層210の気孔率RO1は、ガス拡散性を確保するためにある程度高いことが好ましい。具体的には、集電層210の気孔率RO1は、30%以上であることが好ましく、45%以下であることが好ましい。また、活性層220の気孔率RO2は、15%以上であることが好ましく、40%以下であることが好ましい。   In the present embodiment, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 is higher than the porosity RO2 of the active layer 220. That is, the porosity of the upper part of the air electrode 114 is higher than the porosity of the lower part of the air electrode 114. Note that the porosity of the current collecting layer 210 and the active layer 220 is substantially uniform in a direction parallel to the Z-axis direction. According to such a configuration, an increase in gas diffusion polarization can be suppressed while ensuring a reaction field (three-phase interface length). The porosity RO1 of the current collecting layer 210 is preferably high to some extent in order to ensure gas diffusibility. Specifically, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 is preferably 30% or more, and preferably 45% or less. The porosity RO2 of the active layer 220 is preferably 15% or more, and preferably 40% or less.

燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。   The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed of, for example, a cermet made of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ).

中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、GDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように形成されている。中間層180は、空気極114から拡散した元素(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。 The intermediate layer 180 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed so as to include GDC (gadolinium-doped ceria). The intermediate layer 180 indicates that an element (for example, Sr) diffused from the air electrode 114 reacts with an element (for example, Zr) contained in the electrolyte layer 112 to generate a high-resistance material (for example, SrZrO 3 ). Suppress.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。   The separator 120 is a frame-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 peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) 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.

図4〜6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、反応単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。 As shown in FIGS. 4 to 6, 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. ing. 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. . Further, the air electrode side frame 130 electrically insulates the pair of interconnectors 150 included in the reaction unit 102. 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.

図4,5,7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。   As shown in FIGS. 4, 5, and 7, 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 formed 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.

図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、電気化学反応セルスタック100において最も下に位置する反応単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該反応単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による反応単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。   As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or a nickel alloy It is made of stainless steel or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact. However, as described above, the lowermost reaction unit 102 in the electrochemical reaction cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, and thus the interconnector facing portion 146 in the reaction unit 102 has a lower side. It is in contact with the end plate 106. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the reaction unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144. The electrical connection with is maintained well.

図4〜6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、電気化学反応セルスタック100において最も上に位置する反応単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該反応単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。   As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed 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. However, as described above, since the uppermost reaction unit 102 in the electrochemical reaction cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the reaction unit 102 is It is in contact with the end plate 104. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected.

なお、空気極側集電体134を構成する2つの隣り合う集電体要素135の間の空間は、ガス流路として機能する。図6に示すように、本実施形態では、各集電体要素135は、軸方向(長手方向)がX軸方向に略一致する向きで、X軸方向およびY軸方向に並ぶように配置されている。そのため、上記ガス流路は、Z軸方向視でX軸方向およびY軸方向に格子状に延びるような形状となっている。   The space between two adjacent current collector elements 135 constituting the air electrode side current collector 134 functions as a gas flow path. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, each current collector element 135 is arranged so that the axial direction (longitudinal direction) substantially coincides with the X-axis direction and is aligned in the X-axis direction and the Y-axis direction. ing. Therefore, the gas flow path has a shape extending in a lattice shape in the X-axis direction and the Y-axis direction when viewed in the Z-axis direction.

また、本実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。   In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate-shaped portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integral member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude toward the air electrode 114 from the flat plate-shaped portion. The plurality of current collector elements 135 function as the air electrode side current collector 134.

また、図4および図5に示すように、空気極側集電体134(集電体要素135)の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、例えば、スピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5やMnCo、ZnCo、ZnMn、ZnMnCoO、CuMn)により形成されている。空気極側集電体134の表面へのコート136の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、本実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)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ため、実際には、空気極側集電体134(集電体要素135)の表面の内、インターコネクタ150との境界面はコート136により覆われていない一方、インターコネクタ150の表面の内、少なくともガス流路に面する表面(例えば、インターコネクタ150における空気極114側の表面)はコート136により覆われている。また、空気極側集電体134等に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート136は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体134を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(集電体要素135)」を意味する。なお、図6では、コート136の図示を省略している。 As shown in FIGS. 4 and 5, the surface of the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) is covered with a conductive coat 136. The coat 136 is formed of, for example, a spinel oxide (for example, Mn 1.5 Co 1.5 O 4 , MnCo 2 O 4 , ZnCo 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , ZnMnCoO 4 , CuMn 2 O 4 ). ing. The coating 136 is formed on the surface of the air electrode side current collector 134 by a known method such as spray coating, ink jet printing, spin coating, dip coating, plating, sputtering, or thermal spraying. As described above, in the present embodiment, the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) and the interconnector 150 are formed as an integral member. The boundary surface with the interconnector 150 is not covered with the coat 136 among the surfaces of the electric body 134 (the current collector element 135), while at least the surface facing the gas flow path among the surfaces of the interconnector 150 (for example, The surface of the interconnector 150 on the air electrode 114 side) is covered with a coat 136. Further, a chromium oxide film may be formed by heat treatment on the air electrode side current collector 134 or the like. In that case, the coat 136 is not the film but the air electrode side current collector 134 on which the film is formed. It is the layer formed so that it might cover. In the following description, unless otherwise specified, the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) means “the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) covered with the coat 136”. In FIG. 6, the illustration of the coat 136 is omitted.

また、図4および図5に示すように、空気極114と空気極側集電体134(集電体要素135)とは、導電性を有する接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、スピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5やMnCo、ZnCo、ZnMn、ZnMnCoO、CuMn)により形成されている。本実施形態では、一の集電体要素135と空気極114とを接合する接合層138と、他の集電体要素135と空気極114とを接合する接合層138とは、互いに独立している。また、接合層138は、集電体要素135における先端部(空気極114に近い部分)の角部を覆っている。このような構成の接合層138は、例えば、接合層用のペーストを、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の先端部に印刷し、空気極114の表面に押し付けた状態で所定の条件で焼成を行うことにより形成することができる。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。 As shown in FIGS. 4 and 5, the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) are bonded together by a conductive bonding layer 138. The bonding layer 138 is formed of, for example, a spinel oxide (for example, Mn 1.5 Co 1.5 O 4 , MnCo 2 O 4 , ZnCo 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , ZnMnCoO 4 , CuMn 2 O 4 ). Has been. In the present embodiment, the bonding layer 138 that bonds one current collector element 135 and the air electrode 114 and the bonding layer 138 that bonds the other current collector element 135 and the air electrode 114 are independent of each other. Yes. Further, the bonding layer 138 covers a corner portion of the tip portion (portion close to the air electrode 114) of the current collector element 135. In the bonding layer 138 having such a configuration, for example, the paste for the bonding layer is printed on the tip portion of each current collector element 135 constituting the air electrode side current collector 134 and pressed against the surface of the air electrode 114. It can be formed by firing under predetermined conditions. The air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 are electrically connected by the bonding layer 138. Although it has been described above that the air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114, the bonding layer 138 is precisely between the air electrode side current collector 134 and the air electrode 114. Intervene.

図5に示すように、上述した構成において、インターコネクタ150と空気極側集電体134(集電体要素135)との一体部材と、コート136と、接合層138とを1つの部材(以下、「集電体190」という)と捉えると、該集電体190の内、コート136に覆われた集電体要素135と接合層138との組合せから構成される複数の部分(以下、「凸部192」という)は、インターコネクタ150から構成される部分から空気極114側に突出している。また、該複数の凸部192のそれぞれは、空気極114を構成する集電層210における上側の表面に接している。すなわち、集電体190は、空気極114を構成する集電層210における上側の表面に接する複数の凸部192を有する。本実施形態における集電体190は、特許請求の範囲における集電体に相当し、本実施形態における凸部192は、特許請求の範囲における凸部に相当する。   As shown in FIG. 5, in the above-described configuration, an integrated member of the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135), a coat 136, and a bonding layer 138 are combined into one member (hereinafter referred to as “a member”). , Referred to as “current collector 190”), a plurality of portions (hereinafter referred to as “current collector 190”) including a combination of the current collector element 135 covered with the coat 136 and the bonding layer 138. The projecting portion 192 ”is projected from the portion constituted by the interconnector 150 to the air electrode 114 side. Further, each of the plurality of convex portions 192 is in contact with the upper surface of the current collecting layer 210 constituting the air electrode 114. That is, the current collector 190 has a plurality of convex portions 192 that are in contact with the upper surface of the current collecting layer 210 constituting the air electrode 114. The current collector 190 in the present embodiment corresponds to the current collector in the claims, and the convex portion 192 in the present embodiment corresponds to the convex portion in the claims.

A−2.電気化学反応セルスタック100の動作:
(FCモードにおける動作)
FCモードにおいて、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から各反応単位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から各反応単位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 electrochemical reaction cell stack 100:
(Operation in FC mode)
In the FC mode, as shown in FIGS. 2 and 4, the oxidizer 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 oxidant gas introduction manifold 161. When the gas OG is supplied, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch part 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body part 28, and each reaction is performed from the oxidant gas introduction manifold 161. The air is supplied to the air chamber 166 through the oxidant gas supply communication hole 132 of the unit 102. 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 reaction unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel chamber 176 is supplied through the hole 142.

各反応単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各反応単位102において、単セル110の空気極114は集電体190(インターコネクタ150、空気極側集電体134、コート136、接合層138の集合体)に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介してインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、電気化学反応セルスタック100に含まれる複数の反応単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、電気化学反応セルスタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各反応単位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、電気化学反応セルスタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each reaction unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power generation is performed in the single cell 110 by the electrochemical reaction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG. Is called. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each reaction unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to a current collector 190 (an assembly of an interconnector 150, an air electrode side current collector 134, a coat 136, and a bonding layer 138). 116 is electrically connected to the interconnector 150 via the fuel electrode side current collector 144. The plurality of reaction units 102 included in the electrochemical reaction cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electrical energy generated in each reaction unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the electrochemical reaction cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the electrochemical reaction cell stack 100 is heated until the high temperature can be maintained by heat generated by power generation after startup. It may be heated by a vessel (not shown).

各反応単位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)を介して電気化学反応セルスタック100の外部に排出される。また、各反応単位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)を介して電気化学反応セルスタック100の外部に排出される。   The oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each reaction unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. Electrochemical reaction cell through 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 agent gas discharge manifold 162 It is discharged outside the stack 100. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each reaction unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further, the fuel gas The electrochemical reaction cell stack 100 of the electrochemical reaction cell stack 100 is passed through 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 discharge manifold 172. It is discharged outside.

(ECモードにおける動作)
ECモードにおいて、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から各反応単位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。また、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)を介して回収ガス(例えば空気)が供給されると、回収ガスは、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から各反応単位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。
(Operation in EC mode)
In the EC mode, when water vapor 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, the water vapor is 27 is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 via the holes 29 and the holes of the main body 28, and is supplied from the fuel gas introduction manifold 171 to the fuel chamber 176 via the fuel gas supply communication holes 142 of each reaction unit 102. The Further, when the recovered gas (for example, air) is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161, the recovered gas. Is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the holes 29 of the gas passage member 27 and the main body 28, and from the oxidant gas introduction manifold 161 through the oxidant gas supply communication holes 132 of each reaction unit 102. And supplied to the air chamber 166.

このように水蒸気および回収ガスが供給された状態で、電気化学反応セルスタック100の入力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、各反応単位102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110に電圧が印加され、各単セル110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。   When a voltage is applied to the end plates 104 and 106 functioning as input terminals of the electrochemical reaction cell stack 100 in a state where the water vapor and the recovered gas are supplied in this way, the interconnector 150 constituting each reaction unit 102 or A voltage is applied to each single cell 110 through the air electrode side current collector 134, the fuel electrode side current collector 144, and the like, and an electrolysis reaction of water occurs in each single cell 110. 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110の燃料極116において発生した水素は、燃料室176から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)を介して電気化学反応セルスタック100の外部に取り出される。また、各単セル110の空気極114において発生した酸素は、空気室166から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)を介して電気化学反応セルスタック100の外部に排出される。   Hydrogen generated in the fuel electrode 116 of each unit cell 110 is discharged from the fuel chamber 176 to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further, a gas passage provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172. The material 27 is taken out of the electrochemical reaction cell stack 100 through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 through the body portion 28 and the branch portion 29 of the member 27. Further, oxygen generated in the air electrode 114 of each single cell 110 is discharged from the air chamber 166 to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133 and further to the position of the oxidant gas discharge manifold 162. It is discharged to the outside of the electrochemical reaction cell stack 100 via 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 provided gas passage member 27. .

A−3.性能評価:
本実施形態の電気化学反応セルスタック100を構成する各反応単位102は、空気極114と集電体190との関係に特徴がある。以下、空気極114と集電体190との関係に関して行った性能評価について説明する。
A-3. Performance evaluation:
Each reaction unit 102 constituting the electrochemical reaction cell stack 100 of this embodiment is characterized by the relationship between the air electrode 114 and the current collector 190. Hereinafter, performance evaluation performed on the relationship between the air electrode 114 and the current collector 190 will be described.

(各パラメータについて)
図5に示すように、本性能評価では、Z軸方向における空気極114の厚さを、「空気極厚さβ」といい、Z軸方向における空気極114の集電層210の厚さを、「空気極集電層厚さδ」という。なお、空気極114の厚さが一様ではない場合には、空気極厚さβは、空気極114(ただし、集電体190の凸部192に接する部分)における最薄部の厚さとする。同様に、空気極114の集電層210の厚さが一様ではない場合には、空気極集電層厚さδは、空気極114の集電層210(ただし、集電体190の凸部192に接する部分)における最薄部の厚さとする。
(About each parameter)
As shown in FIG. 5, in this performance evaluation, the thickness of the air electrode 114 in the Z-axis direction is called “air electrode thickness β”, and the thickness of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 in the Z-axis direction is , Referred to as “air electrode current collecting layer thickness δ”. When the thickness of the air electrode 114 is not uniform, the air electrode thickness β is the thickness of the thinnest part in the air electrode 114 (however, the portion in contact with the convex portion 192 of the current collector 190). . Similarly, when the thickness of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is not uniform, the current collecting layer thickness δ of the air electrode 114 is equal to the current collecting layer 210 of the air electrode 114 (however, the convexity of the current collector 190). The thickness of the thinnest part in the part in contact with the part 192).

また、集電体190の各凸部192(空気極側集電体134(集電体要素135)と接合層138との組合せ)における空気極114の集電層210に接する部分の幅(Z軸方向に直交する方向の大きさ)を、「凸部接触部幅γ」という。   Further, the width (Z) of the air electrode 114 in contact with the current collecting layer 210 in each convex portion 192 of the current collector 190 (combination of the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) and the bonding layer 138). The size in the direction perpendicular to the axial direction) is referred to as “convex portion contact width γ”.

なお、凸部接触部幅γの特定は、図8および図9に示すように、集電体要素135のXY断面において、集電体要素135の外周線に4点(P1〜P4)以上で内接する仮想楕円VEを設定したときの、該仮想楕円VEの短径Amを含み、かつ、Z軸方向に平行な断面SE1(図8および図9の例ではYZ断面)において行うものとする。   In addition, as shown in FIG. 8 and FIG. 9, the convex contact portion width γ is specified at four points (P1 to P4) or more on the outer circumferential line of the current collector element 135 in the XY cross section of the current collector element 135. When the inscribed virtual ellipse VE is set, the cross section SE1 includes the minor axis Am of the virtual ellipse VE and is parallel to the Z-axis direction (YZ cross section in the examples of FIGS. 8 and 9).

また、上記断面SE1における凸部接触部幅γの測定位置は、空気極114の集電層210(ただし、集電体190の凸部192に接する部分)における最薄部の上端位置から、上方に距離Lx(=10μm)だけ離れた位置とする。例えば、図5に示すように、空気極114の集電層210の厚さが略一様である構成では、凸部接触部幅γは、上記断面SE1(図5の例ではYZ断面)における、空気極114の集電層210の上面から距離Lx(=10μm)だけ上方に位置し、かつ、Z軸方向に直交する仮想直線VL1上において特定される。同様に、例えば図10に示すように、空気極114の集電層210の厚さが略一様であり、かつ、接合層138が集電体要素135における先端部の角部を覆っていない構成においても、凸部接触部幅γは、上記断面SE1(図10の例ではYZ断面)における、空気極114の集電層210の上面から距離Lx(=10μm)だけ上方に位置し、かつ、Z軸方向に直交する仮想直線VL1上において特定される。   Further, the measurement position of the convex portion contact portion width γ in the cross section SE1 is from the upper end position of the thinnest portion in the current collecting layer 210 of the air electrode 114 (however, the portion in contact with the convex portion 192 of the current collector 190) upward. And a position separated by a distance Lx (= 10 μm). For example, as shown in FIG. 5, in the configuration in which the thickness of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is substantially uniform, the convex contact portion width γ is in the cross section SE1 (YZ cross section in the example of FIG. 5). The position is specified on a virtual straight line VL1 that is located above the upper surface of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 by a distance Lx (= 10 μm) and orthogonal to the Z-axis direction. Similarly, for example, as shown in FIG. 10, the thickness of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is substantially uniform, and the bonding layer 138 does not cover the corner of the front end portion of the current collector element 135. Also in the configuration, the convex contact portion width γ is located above the upper surface of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 by a distance Lx (= 10 μm) in the cross section SE1 (YZ cross section in the example of FIG. 10), and , Specified on a virtual straight line VL1 orthogonal to the Z-axis direction.

また、一の凸部192とその隣に位置する他の凸部192との間の最短距離(Z軸方向に直交する方向における最短距離)を、「凸部間最短距離α」という。凸部間最短距離αは、凸部接触部幅γと同様に、上記断面SE1における上記仮想直線VL1上において特定される(図5,10参照)。   In addition, the shortest distance between one convex portion 192 and another convex portion 192 located adjacent thereto (shortest distance in a direction orthogonal to the Z-axis direction) is referred to as “shortest distance between convex portions α”. The shortest distance α between the convex portions is specified on the virtual straight line VL1 in the cross section SE1 similarly to the convex portion contact portion width γ (see FIGS. 5 and 10).

また、凸部接触部幅γに対する空気極厚さβの比率(β/γ)を、「第1の比率R1」という。第1の比率R1の値が高いことは、凸部接触部幅γの値が小さいこと(すなわち、凸部192の幅が狭いこと)、および/または、空気極厚さβの値が大きいことを意味する。また、凸部接触部幅γに対する空気極集電層厚さδの比率(δ/γ)を、「第2の比率R2」という。第2の比率R2の値が高いことは、凸部接触部幅γの値が小さいこと(すなわち、凸部192の幅が狭いこと)、および/または、空気極集電層厚さδの値が大きいことを意味する。また、凸部間最短距離αに対する空気極厚さβの比率(β/α)を、「第3の比率R3」という。第3の比率R3の値が高いことは、凸部間最短距離αの値が小さいこと(すなわち、2つの凸部192間の間隔が狭いこと)、および/または、空気極厚さβの値が大きいことを意味する。また、凸部間最短距離αに対する空気極集電層厚さδの比率(δ/α)を、「第4の比率R4」という。第4の比率R4の値が高いことは、凸部間最短距離αの値が小さいこと(すなわち、2つの凸部192間の間隔が狭いこと)、および/または、空気極集電層厚さδの値が大きいことを意味する。   Further, the ratio (β / γ) of the air electrode thickness β to the convex portion contact width γ is referred to as “first ratio R1”. A high value of the first ratio R1 means that the value of the convex portion contact portion width γ is small (that is, the width of the convex portion 192 is narrow) and / or the value of the air electrode thickness β is large. Means. Further, the ratio (δ / γ) of the air electrode current collecting layer thickness δ to the convex portion contact width γ is referred to as “second ratio R2”. A high value of the second ratio R2 means that the value of the convex portion contact portion width γ is small (that is, the width of the convex portion 192 is narrow) and / or the value of the air electrode current collector layer thickness δ. Means big. Further, the ratio (β / α) of the air electrode thickness β to the shortest distance α between the protrusions is referred to as “third ratio R3”. The high value of the third ratio R3 means that the value of the shortest distance α between the protrusions is small (that is, the distance between the two protrusions 192 is narrow) and / or the value of the air electrode thickness β. Means big. Further, the ratio (δ / α) of the air electrode current collecting layer thickness δ to the shortest distance α between the protrusions is referred to as a “fourth ratio R4”. A high value of the fourth ratio R4 means that the value of the shortest distance α between the protrusions is small (that is, the distance between the two protrusions 192 is narrow) and / or the thickness of the air electrode current collector layer. It means that the value of δ is large.

(各サンプルについて)
図11は、性能評価結果を示す説明図である。図11に示すように、性能評価に用いられた反応単位102の各サンプル(S1〜S16)は、上述した凸部間最短距離α、空気極厚さβ、空気極集電層厚さδ、および、凸部接触部幅γの値が互いに異なっており、その結果、第1の比率R1から第4の比率R4の値が互いに異なっている。さらに、各サンプルは、空気極114の集電層210の気孔率RO1、および、空気極114の活性層220の気孔率RO2の値が互いに異なっている。図11に示すように、性能評価に用いられたすべてのサンプルにおいて、空気極114の集電層210の気孔率RO1は、空気極114の活性層220の気孔率RO2より高くなっている。気孔率RO1および気孔率RO2の特定方法については、後述する。
(About each sample)
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the performance evaluation results. As shown in FIG. 11, each sample (S1 to S16) of the reaction unit 102 used for the performance evaluation has the above-described shortest distance α between the protrusions, the air electrode thickness β, the air electrode current collecting layer thickness δ, Further, the values of the protrusion contact portion width γ are different from each other, and as a result, the values of the first ratio R1 to the fourth ratio R4 are different from each other. Further, each sample has different values of the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 and the porosity RO2 of the active layer 220 of the air electrode 114. As shown in FIG. 11, in all the samples used for performance evaluation, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is higher than the porosity RO2 of the active layer 220 of the air electrode 114. A method for specifying the porosity RO1 and the porosity RO2 will be described later.

各サンプルの作製にあたり、空気極114(集電層210および活性層220)はペロブスカイト型酸化物を含むように構成した。また、空気極114の集電層210の気孔率RO1および活性層220の気孔率RO2を、原料の粒度を調整したり焼成温度を調整したりすることによって調整した。また、集電体190を構成するインターコネクタ150および空気極側集電体134(集電体要素135)を金属(フェライト系ステンレス)により構成し、コート136および接合層138をスピネル型酸化物により構成した。各サンプルについて、集電体要素135等の形状や配置を互いに異ならせることにより、凸部間最短距離αおよび凸部接触部幅γの値を互いに異ならせた。なお、すべてのサンプルにおいて、接合層138を、コート136に覆われた集電体要素135の先端部の角部を覆うように形成した(図5参照)。   In producing each sample, the air electrode 114 (the current collecting layer 210 and the active layer 220) was configured to include a perovskite oxide. Further, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 and the porosity RO2 of the active layer 220 were adjusted by adjusting the particle size of the raw material or adjusting the firing temperature. Further, the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) constituting the current collector 190 are made of metal (ferritic stainless steel), and the coat 136 and the bonding layer 138 are made of spinel oxide. Configured. For each sample, the values of the shortest distance between convex portions α and the convex portion contact portion width γ were made different from each other by making the shape and arrangement of the current collector elements 135 and the like different from each other. In all the samples, the bonding layer 138 was formed so as to cover the corner portion of the tip portion of the current collector element 135 covered with the coat 136 (see FIG. 5).

(評価方法について)
本性能評価では、初期通電特性についての評価を行った。具体的には、作製した反応単位102の各サンプルについて、空気極114側に第1の混合ガス(20vol%の酸素と80vol%の窒素との混合ガス)を供給し、燃料極116側に第2の混合ガス(95vol%の水素と5vol%の水蒸気との混合ガス)を供給し、温度700℃において、電流密度が−0.1A/cm〜0.55A/cmの範囲となるように通電を行い、電圧を測定した。なお、電流密度が正の値のときは反応単位102がFCモードで動作しており、電流密度が負の値のときは反応単位102がECモードで動作していることとなる。
(About the evaluation method)
In this performance evaluation, the initial energization characteristics were evaluated. Specifically, for each sample of the produced reaction unit 102, the first mixed gas (a mixed gas of 20 vol% oxygen and 80 vol% nitrogen) is supplied to the air electrode 114 side, and the first mixed gas is supplied to the fuel electrode 116 side. 2 gas mixture (mixed gas of 95 vol% hydrogen and 5 vol% water vapor) is supplied, and at a temperature of 700 ° C., the current density is in the range of −0.1 A / cm 2 to 0.55 A / cm 2. Was energized and the voltage was measured. When the current density is a positive value, the reaction unit 102 is operating in the FC mode, and when the current density is a negative value, the reaction unit 102 is operating in the EC mode.

FCモード時の評価として、電流密度が0.55A/cmのときの電圧の値に応じて、以下のように「A」〜「F」の6段階で評価した(「A」が最も優れているという評価であり、「F」が最も劣っているという評価である)。
・評価:「A」・・・電圧:0.920V以上
・評価:「B」・・・電圧:0.915V以上、0.920V未満
・評価:「C」・・・電圧:0.910V以上、0.915V未満
・評価:「D」・・・電圧:0.900V以上、0.910V未満
・評価:「E」・・・電圧:0.800V以上、0.900V未満
・評価:「F」・・・電圧:0.800V未満
As the evaluation in the FC mode, the evaluation was made in six stages from “A” to “F” according to the voltage value when the current density was 0.55 A / cm 2 (“A” was the best) And “F” is the worst evaluation).
-Evaluation: "A" ... Voltage: 0.920V or more -Evaluation: "B" ... Voltage: 0.915V or more, less than 0.920V -Evaluation: "C" ... Voltage: 0.910V or more Evaluation: “D”: Voltage: 0.900 V or more and less than 0.910 V • Evaluation: “E”: Voltage: 0.800 V or more, less than 0.900 V • Evaluation: “F "... Voltage: Less than 0.800V

また、ECモード時の評価として、電流密度が−0.1A/cmのときの電圧の値に応じて、以下のように「A」〜「F」の6段階で評価した(「A」が最も優れているという評価であり、「F」が最も劣っているという評価である)。なお、一般に、ECモードでの運転は、電圧一定で行われ、該電圧を維持するために必要な電流が低いほど性能が劣っていると評価される。本性能評価では、電流一定で運転を行い、電圧が高いほど性能が劣っていると評価した。どちらの評価も意味としては同じである。
・評価:「A」・・・電圧:1.125V未満
・評価:「B」・・・電圧:1.125V以上、1.130V未満
・評価:「C」・・・電圧:1.130V以上、1.140V未満
・評価:「D」・・・電圧:1.140V以上、1.150V未満
・評価:「E」・・・電圧:1.150V以上、1.160V未満
・評価:「F」・・・電圧:1.160V以上
Further, as an evaluation in the EC mode, evaluation was performed in six stages from “A” to “F” as follows according to the voltage value when the current density was −0.1 A / cm 2 (“A”). Is the best rating, and “F” is the worst rating). In general, the operation in the EC mode is performed at a constant voltage, and it is evaluated that the performance is inferior as the current required for maintaining the voltage is lower. In this performance evaluation, operation was performed at a constant current, and it was evaluated that the higher the voltage, the worse the performance. Both evaluations have the same meaning.
-Evaluation: "A" ... Voltage: less than 1.125V -Evaluation: "B" ... Voltage: 1.125V or more, less than 1.130V -Evaluation: "C" ... Voltage: 1.130V or more Evaluation: “D”: Voltage: 1.140 V or more, less than 1.150 V • Evaluation: “E”: Voltage: 1.150 V or more, less than 1.160 V • Evaluation: “F "... Voltage: 1.160V or more

(評価結果について)
(サンプルS1について)
図11に示すように、サンプルS1の評価結果は、FCモード時の評価でもECモード時の評価でも、最も低い「F」評価であった。サンプルS1では、空気極114の集電層210の気孔率RO1が20%であり、他のサンプル(いずれも集電層210の気孔率RO1が30%以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS1では、FCモードにおいては、空気室166に供給された酸化剤ガスOGが空気極114の集電層210内に良好に進入せず、空気極114における反応場として機能する活性層220において酸化剤ガスOGが不足することによってガス拡散分極が極めて大きくなり、その結果、性能が極めて低くなったものと考えられる。また、サンプルS1では、ECモードにおいては、空気極114における反応場として機能する活性層220で発生した酸素が集電層210内を良好に通過しないために酸素の排出が滞り、空気極114の内部でガスの圧力が高くなることによって空気極114の剥離が生じ、その結果、性能が極めて低くなったものと考えられる。この結果から、反応単位102の性能向上(性能低下の抑制)のためには、空気極114の集電層210の気孔率RO1は30%以上であることが好ましいと言える。
(About evaluation results)
(About sample S1)
As shown in FIG. 11, the evaluation result of the sample S1 was the lowest “F” evaluation in both the evaluation in the FC mode and the evaluation in the EC mode. In the sample S1, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 20%, which is a lower value than the other samples (both of which the porosity RO1 of the current collecting layer 210 is 30% or more). ing. Therefore, in the sample S1, in the FC mode, the oxidant gas OG supplied to the air chamber 166 does not enter the current collecting layer 210 of the air electrode 114 well and functions as a reaction field in the air electrode 114. It is considered that the gas diffusion polarization becomes extremely large due to the shortage of the oxidant gas OG at 220, resulting in extremely low performance. Further, in the sample S1, in the EC mode, oxygen generated in the active layer 220 functioning as a reaction field in the air electrode 114 does not pass through the current collecting layer 210 well, so that oxygen discharge is delayed, and the air electrode 114 It is considered that the air electrode 114 is peeled off due to the increase in gas pressure inside, and as a result, the performance is extremely lowered. From this result, it can be said that the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is preferably 30% or more in order to improve the performance of the reaction unit 102 (suppression of performance degradation).

(サンプルS2〜S4について)
サンプルS2〜S4の評価結果は、FCモード時の評価でもECモード時の評価でも、2番目に低い「E」評価であった。サンプルS2〜S4では、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上ではあるものの、第1の比率R1(=β/γ)が0.07未満であり、サンプルS5〜S16(いずれも第1の比率R1が0.07以上である)と比べて低い値となっており、かつ、第2の比率R2(=δ/γ)が0.06未満であり、サンプルS5〜S16(いずれも第2の比率R2が0.06以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS2〜S4では、以下に説明するように、サンプルS5〜S16と比べてFCモードおよびECモードにおける性能が低くなったものと考えられる。
(About samples S2 to S4)
The evaluation results of samples S2 to S4 were the second lowest “E” evaluation in both the FC mode evaluation and the EC mode evaluation. In samples S2 to S4, although the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more, the first ratio R1 (= β / γ) is less than 0.07, and the samples S5 to S16 ( In any case, the first ratio R1 is 0.07 or more), the second ratio R2 (= δ / γ) is less than 0.06, and the samples S5 to S16 Both are lower values than the second ratio R2 is 0.06 or more. Therefore, in the samples S2 to S4, it is considered that the performance in the FC mode and the EC mode is lower than those of the samples S5 to S16 as described below.

図12から図14は、第2の比率R2(=δ/γ)とFCモード(図中では「FCmode」と標記する(他の図においても同様))における性能との関係を概念的に示す説明図である。図12から図14には、反応単位102の一部(図5のX1部)のYZ断面構成が示されている。図12に示す反応単位102の構成では、図14に示す反応単位102の構成と比較して、凸部接触部幅γの値が大きい。そのため、図12に示す反応単位102の構成では、図14に示す反応単位102の構成と比較して、第2の比率R2(=δ/γ)の値が小さくなっている。また、図13に示す反応単位102の構成では、図14に示す反応単位102の構成と比較して、空気極集電層厚さδの値が小さい。そのため、図13に示す反応単位102の構成では、図14に示す反応単位102の構成と比較して、第2の比率R2(=δ/γ)の値が小さくなっている。   FIGS. 12 to 14 conceptually show the relationship between the second ratio R2 (= δ / γ) and the performance in the FC mode (denoted as “FCmode” in the figure (the same applies to other figures)). It is explanatory drawing. 12 to 14 show a YZ cross-sectional configuration of a part of the reaction unit 102 (X1 portion in FIG. 5). In the structure of the reaction unit 102 shown in FIG. 12, the value of the convex part contact part width γ is larger than that of the structure of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 12, the value of the second ratio R2 (= δ / γ) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Further, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 13, the value of the air electrode current collecting layer thickness δ is smaller than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 13, the value of the second ratio R2 (= δ / γ) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG.

ここで、FCモードにおいて、空気室166に供給された酸化剤ガスOGは、空気極114の集電層210の表面の内、集電体190の凸部192に接する部分(すなわち、凸部接触部幅γに対応する部分)からは流入せず、集電体190の凸部192に接しない部分(すなわち、凸部間最短距離αに対応する部分)から空気極114の集電層210内に流入する。また、空気極114の集電層210内に流入した酸化剤ガスOGは、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ1以内の範囲の方向に沿って、空気極114における反応場として機能する活性層220に向けて流れる。そのため、図12に示すように凸部接触部幅γの値が比較的大きい構成や図13に示すように空気極集電層厚さδの値が比較的小さい構成(すなわち、第2の比率R2の値が比較的小さい構成)では、空気極114の活性層220の内の一部の領域Ax1に酸化剤ガスOGが到達しにくくなることによってガス拡散分極が大きくなり、その結果、反応単位102の性能が低くなる。   Here, in the FC mode, the oxidant gas OG supplied to the air chamber 166 is a portion of the surface of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 that is in contact with the convex portion 192 of the current collector 190 (that is, convex portion contact). From the portion not corresponding to the convex portion 192 of the current collector 190 (that is, the portion corresponding to the shortest distance α between the convex portions) in the current collecting layer 210 of the air electrode 114. Flow into. The oxidant gas OG flowing into the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is an active layer that functions as a reaction field in the air electrode 114 along a direction in which the inclination with respect to the Z-axis direction is approximately within a predetermined value θ1. It flows toward 220. Therefore, a configuration in which the value of the convex portion contact width γ is relatively large as shown in FIG. 12 or a configuration in which the value of the air current collector layer thickness δ is relatively small as shown in FIG. 13 (that is, the second ratio) In the configuration in which the value of R2 is relatively small), the oxidant gas OG hardly reaches the partial region Ax1 in the active layer 220 of the air electrode 114, thereby increasing the gas diffusion polarization. As a result, the reaction unit The performance of 102 is lowered.

これに対し、図14に示す反応単位102の構成では、図12に示す反応単位102の構成と比較して、凸部接触部幅γの値が小さく、また、図13に示す反応単位102の構成と比較して、空気極集電層厚さδの値が大きい。すなわち、図14に示す反応単位102の構成では、図12および図13に示す反応単位102の構成と比較して、第2の比率R2(=δ/γ)の値が大きい。図14に示す反応単位102の構成では、凸部接触部幅γの値が比較的小さいため、空気極114の活性層220の内、酸化剤ガスOGが到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図14に示す反応単位102の構成では、空気極集電層厚さδの値が比較的大きいため、空気極114の集電層210内に進入した酸化剤ガスOGの、Z軸方向に直交する方向への移動距離(拡散距離)を比較的長くすることができる。なお、活性層220の厚さ方向の全体(活性層220と集電層210との界面付近を含む)にわたって良好に酸化剤ガスOGを供給するためには、空気極厚さβではなく空気極集電層厚さδと凸部接触部幅γとの関係(すなわち、第2の比率R2(=δ/γ))が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図14に示すように、第2の比率R2の値が比較的大きい構成では、空気極114の活性層220の厚さ方向の全体にわたって、酸化剤ガスOGが到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 14, the value of the convex contact portion width γ is smaller than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Compared with the configuration, the value of the air current collecting layer thickness δ is large. That is, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 14, the value of the second ratio R2 (= δ / γ) is larger than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIGS. In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 14, the value of the protrusion contact portion width γ is relatively small, so that the area of the active layer 220 of the air electrode 114 where the oxidant gas OG is difficult to reach can be reduced. it can. Further, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 14, since the value of the air current collector layer thickness δ is relatively large, the oxidant gas OG that has entered the current collector layer 210 of the air electrode 114 has the Z-axis direction. The moving distance (diffusion distance) in the direction orthogonal to the direction can be made relatively long. In order to supply the oxidant gas OG satisfactorily over the entire thickness direction of the active layer 220 (including the vicinity of the interface between the active layer 220 and the current collecting layer 210), not the air electrode thickness β but the air electrode. It is preferable that the relationship between the current collecting layer thickness δ and the convex portion contact portion width γ (that is, the second ratio R2 (= δ / γ)) satisfies the above requirement. Therefore, as shown in FIG. 14, in the configuration in which the value of the second ratio R2 is relatively large, the region where the oxidant gas OG is difficult to reach is reduced over the entire thickness direction of the active layer 220 of the air electrode 114. It is possible to suppress the decrease in performance by suppressing an increase in gas diffusion polarization.

また、図15から図17は、第1の比率R1(=β/γ)とECモード(図中では「ECmode」と標記する(他の図においても同様))における性能との関係を概念的に示す説明図である。図15から図17には、反応単位102の一部(図5のX1部)のYZ断面構成が示されている。図15に示す反応単位102の構成では、図17に示す反応単位102の構成と比較して、凸部接触部幅γの値が大きい。そのため、図15に示す反応単位102の構成では、図17に示す反応単位102の構成と比較して、第1の比率R1(=β/γ)の値が小さくなっている。また、図16に示す反応単位102の構成では、図17に示す反応単位102の構成と比較して、空気極厚さβの値が小さい。そのため、図16に示す反応単位102の構成では、図17に示す反応単位102の構成と比較して、第1の比率R1(=β/γ)の値が小さくなっている。   FIGS. 15 to 17 conceptually show the relationship between the first ratio R1 (= β / γ) and the performance in the EC mode (labeled “ECmode” in the figure (the same applies to other figures)). It is explanatory drawing shown in. 15 to 17 show a YZ cross-sectional configuration of a part of the reaction unit 102 (X1 portion in FIG. 5). In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 15, the value of the convex portion contact portion width γ is larger than the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 17. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 15, the value of the first ratio R1 (= β / γ) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. In addition, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 16, the value of the air electrode thickness β is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 16, the value of the first ratio R1 (= β / γ) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG.

ここで、ECモードにおいて、空気極114の活性層220で発生した酸素(O)は、活性層220から集電層210内を通過して空気室166に排出されるが、集電層210の表面の内、集電体190の凸部192に接する部分(すなわち、凸部接触部幅γに対応する部分)からは排出されず、集電体190の凸部192に接しない部分(すなわち、凸部間最短距離αに対応する部分)から排出される。また、活性層220で発生した酸素は、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ2以内の範囲の方向に沿って、空気室166に向けて流れる。そのため、図15に示すように凸部接触部幅γの値が比較的大きい構成や図16に示すように空気極厚さβの値が比較的小さい構成(すなわち、第1の比率R1の値が比較的小さい構成)では、活性層220の内の一部の領域Ax2で発生した酸素が空気室166に排出されにくくなり、空気極114の内部でガスの圧力が高くなることによって空気極114の剥離が生じ、その結果、反応単位102の性能が低くなる。 Here, in the EC mode, oxygen (O 2 ) generated in the active layer 220 of the air electrode 114 passes through the current collection layer 210 from the active layer 220 and is exhausted to the air chamber 166, but the current collection layer 210. Of the surface of the current collector 190 is not discharged from the portion in contact with the convex portion 192 of the current collector 190 (that is, the portion corresponding to the convex portion contact portion width γ), and the portion not in contact with the convex portion 192 of the current collector 190 (that is, , The portion corresponding to the shortest distance α between the convex portions). Further, oxygen generated in the active layer 220 flows toward the air chamber 166 along a direction in which the inclination with respect to the Z-axis direction is approximately within a predetermined value θ2. Therefore, a configuration in which the value of the convex contact width γ is relatively large as shown in FIG. 15 or a configuration in which the value of the air electrode thickness β is relatively small as shown in FIG. 16 (that is, the value of the first ratio R1). Is relatively small), the oxygen generated in a part of the region Ax2 in the active layer 220 is less likely to be discharged into the air chamber 166, and the gas pressure is increased inside the air electrode 114, thereby increasing the air electrode 114. As a result, the performance of the reaction unit 102 is lowered.

これに対し、図17に示す反応単位102の構成では、図15に示す反応単位102の構成と比較して、凸部接触部幅γの値が小さく、また、図16に示す反応単位102の構成と比較して、空気極厚さβの値が大きい。すなわち、図17に示す反応単位102の構成では、図15および図16に示す反応単位102の構成と比較して、第1の比率R1(=β/γ)の値が大きい。図17に示す反応単位102の構成では、凸部接触部幅γの値が比較的小さいため、空気極114の活性層220の内、そこで発生した酸素が空気室166に排出されにくい領域の面積を減らすことができる。また、図17に示す反応単位102の構成では、空気極厚さβの値が比較的大きいため、空気極114の活性層220で発生した酸素の、Z軸方向に直交する方向への移動距離(拡散距離)を比較的長くすることができる。なお、活性層220の厚さ方向の全体(活性層220と中間層180との界面付近を含む)にわたって、そこで発生した酸素を良好に排出させるためには、空気極集電層厚さδではなく空気極厚さβと凸部接触部幅γとの関係(すなわち、第1の比率R1(=β/γ))が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図17に示すように、第1の比率R1の値が比較的大きい構成では、空気極114の活性層220の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した酸素が空気室166に排出されにくい領域を減らすことができ、空気極114の内部でガスの圧力が高くなることによる空気極114の剥離を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 17, the value of the convex contact portion width γ is smaller than that of the reaction unit 102 shown in FIG. Compared with the configuration, the value of the air electrode thickness β is large. That is, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 17, the value of the first ratio R1 (= β / γ) is larger than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIGS. In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 17, since the value of the convex contact portion width γ is relatively small, the area of the active layer 220 of the air electrode 114 where the generated oxygen is difficult to be discharged into the air chamber 166. Can be reduced. In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 17, since the value of the air electrode thickness β is relatively large, the movement distance of oxygen generated in the active layer 220 of the air electrode 114 in the direction orthogonal to the Z-axis direction. (Diffusion distance) can be made relatively long. In order to discharge oxygen generated in the entire thickness direction of the active layer 220 (including the vicinity of the interface between the active layer 220 and the intermediate layer 180), the air current collecting layer thickness δ is It is preferable that the relationship between the air electrode thickness β and the protrusion contact portion width γ (that is, the first ratio R1 (= β / γ)) satisfies the above requirement. Therefore, as shown in FIG. 17, in the configuration in which the value of the first ratio R <b> 1 is relatively large, oxygen generated there is difficult to be discharged into the air chamber 166 over the entire thickness of the active layer 220 of the air electrode 114. The area can be reduced, and the deterioration of the performance can be suppressed by suppressing the separation of the air electrode 114 due to the increase in gas pressure inside the air electrode 114.

上述したように、第1の比率R1(=β/γ)が0.07未満であり、かつ、第2の比率R2(=δ/γ)が0.06未満であるサンプルS2〜S4の評価結果が、第1の比率R1が0.07以上であり、かつ、第2の比率R2が0.06以上であるサンプルS5〜S16の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位102の性能向上(性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1が0.07以上であり、かつ、第2の比率R2が0.06以上であることが好ましいと言える。   As described above, the evaluation of the samples S2 to S4 in which the first ratio R1 (= β / γ) is less than 0.07 and the second ratio R2 (= δ / γ) is less than 0.06. Considering that the results are inferior to the evaluation results of the samples S5 to S16 in which the first ratio R1 is 0.07 or more and the second ratio R2 is 0.06 or more, the performance improvement of the reaction unit 102 In order to (suppress performance degradation), it can be said that the first ratio R1 is preferably 0.07 or more and the second ratio R2 is preferably 0.06 or more.

(サンプルS5について)
サンプルS5の評価結果は、FCモード時の評価でもECモード時の評価でも、3番目に低い「D」評価であった。サンプルS5では、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上であり、第1の比率R1(=β/γ)が0.07以上であり、かつ、第2の比率R2(=δ/γ)が0.06以上であるものの、第3の比率R3(=β/α)が0.035未満であり、サンプルS6〜S16(いずれも第3の比率R3が0.035以上である)と比べて低い値となっており、かつ、第4の比率R4(=δ/α)が0.02未満であり、サンプルS6〜S16(いずれも第4の比率R4が0.02以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS5では、以下に説明するように、サンプルS6〜S16と比べてFCモードおよびECモードにおける性能が低くなったものと考えられる。
(About sample S5)
The evaluation result of sample S5 was the third lowest “D” evaluation in both the FC mode evaluation and the EC mode evaluation. In the sample S5, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more, the first ratio R1 (= β / γ) is 0.07 or more, and the second ratio R2 ( = Δ / γ) is 0.06 or more, but the third ratio R3 (= β / α) is less than 0.035, and the samples S6 to S16 (all the third ratio R3 is 0.035 or more). And the fourth ratio R4 (= δ / α) is less than 0.02, and the samples S6 to S16 (all have a fourth ratio R4 of 0.02). It is a lower value than the above. For this reason, it is considered that the performance in the FC mode and the EC mode is lower in the sample S5 than in the samples S6 to S16, as described below.

図18から図20は、第4の比率R4(=δ/α)とFCモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。図18から図20には、反応単位102の一部(図5のX1部)のYZ断面構成が示されている。図18に示す反応単位102の構成では、図20に示す反応単位102の構成と比較して、凸部間最短距離αの値が大きい。そのため、図18に示す反応単位102の構成では、図20に示す反応単位102の構成と比較して、第4の比率R4(=δ/α)の値が小さくなっている。また、図19に示す反応単位102の構成では、図20に示す反応単位102の構成と比較して、空気極集電層厚さδの値が小さい。そのため、図19に示す反応単位102の構成では、図20に示す反応単位102の構成と比較して、第4の比率R4(=δ/α)の値が小さくなっている。   18 to 20 are explanatory views conceptually showing the relationship between the fourth ratio R4 (= δ / α) and the performance in the FC mode. 18 to 20 show a YZ cross-sectional configuration of a part of the reaction unit 102 (X1 portion in FIG. 5). In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 18, the value of the shortest distance α between the protrusions is larger than that of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 18, the value of the fourth ratio R4 (= δ / α) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Further, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 19, the value of the air electrode current collecting layer thickness δ is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 19, the value of the fourth ratio R4 (= δ / α) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG.

ここで、FCモードにおいて、空気極114の集電層210と集電体190との間の電子(e)のやりとりは、空気極114の集電層210の表面の内、集電体190の凸部192に接しない部分(すなわち、凸部間最短距離αに対応する部分)では行われず、集電体190の凸部192に接する部分(すなわち、凸部接触部幅γに対応する部分)で行われる。また、空気極114の集電層210内に進入した電子は、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ3以内の範囲の方向に沿って、空気極114における反応場として機能する活性層220に向けて移動する。そのため、図18に示すように凸部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図19に示すように空気極集電層厚さδの値が比較的小さい構成(すなわち、第4の比率R4の値が比較的小さい構成)では、空気極114の活性層220の内の一部の領域Ax3に電子が到達しにくくなることによって活性化分極が大きくなり、その結果、反応単位102の性能が低くなる。 Here, in the FC mode, electrons (e ) are exchanged between the current collector layer 210 of the air electrode 114 and the current collector 190. The portion of the current collector 190 that does not contact the convex portion 192 (that is, the portion corresponding to the convex portion contact portion width γ) is not performed in the portion that does not contact the convex portion 192 (that is, the portion corresponding to the shortest distance α between the convex portions). ). Further, the electrons that have entered the current collecting layer 210 of the air electrode 114 are directed toward the active layer 220 that functions as a reaction field in the air electrode 114 along a direction in which the inclination with respect to the Z-axis direction is approximately within a predetermined value θ3. Move. Therefore, a configuration in which the value of the shortest distance α between the protrusions is relatively large as shown in FIG. 18 or a configuration in which the value of the air current collector layer thickness δ is relatively small as shown in FIG. In the configuration in which the value of R4 is relatively small), the activation polarization becomes large because electrons do not easily reach a part of the region Ax3 in the active layer 220 of the air electrode 114. As a result, the performance of the reaction unit 102 is increased. Becomes lower.

これに対し、図20に示す反応単位102の構成では、図18に示す反応単位102の構成と比較して、凸部間最短距離αの値が小さく、また、図19に示す反応単位102の構成と比較して、空気極集電層厚さδの値が大きい。すなわち、図20に示す反応単位102の構成では、図18および図19に示す反応単位102の構成と比較して、第4の比率R4の値が大きい。図20に示す反応単位102の構成では、凸部間最短距離αの値が比較的小さいため、空気極114の活性層220の内、電子が到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図20に示す反応単位102の構成では、空気極集電層厚さδの値が比較的大きいため、空気極114の集電層210内に進入した電子の、Z軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。なお、活性層220の厚さ方向の全体(活性層220と集電層210との界面付近を含む)にわたって良好に電子を到達させるためには、空気極厚さβではなく空気極集電層厚さδと凸部間最短距離αとの関係(すなわち、第4の比率R4(=δ/α))が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図20に示すように、第4の比率R4の値が比較的大きい構成では、空気極114の活性層220の厚さ方向の全体にわたって、電子が到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 20, the value of the shortest distance α between the protrusions is smaller than that of the reaction unit 102 shown in FIG. 18, and the reaction unit 102 shown in FIG. Compared with the configuration, the value of the air current collecting layer thickness δ is large. That is, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 20, the value of the fourth ratio R4 is larger than the configuration of the reaction unit 102 shown in FIGS. In the structure of the reaction unit 102 shown in FIG. 20, since the value of the shortest distance α between the protrusions is relatively small, the area of the active layer 220 of the air electrode 114 that is difficult for electrons to reach can be reduced. In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 20, since the value of the air current collector layer thickness δ is relatively large, the electrons that have entered the current collector layer 210 of the air electrode 114 are orthogonal to the Z-axis direction. The moving distance in the direction can be made relatively long. In order to allow electrons to reach the entire active layer 220 in the thickness direction (including the vicinity of the interface between the active layer 220 and the current collecting layer 210), not the air electrode thickness β but the air electrode current collecting layer. It is preferable that the relationship between the thickness δ and the shortest distance α between the protrusions (that is, the fourth ratio R4 (= δ / α)) satisfies the above requirement. Therefore, as shown in FIG. 20, in the configuration in which the value of the fourth ratio R4 is relatively large, it is possible to reduce the region where electrons are difficult to reach over the entire thickness direction of the active layer 220 of the air electrode 114, By suppressing the increase in activation polarization, it is possible to suppress a decrease in performance.

また、図21から図23は、第3の比率R3(=β/α)とECモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。図21から図23には、反応単位102の一部(図5のX1部)のYZ断面構成が示されている。図21に示す反応単位102の構成では、図23に示す反応単位102の構成と比較して、凸部間最短距離αの値が大きい。そのため、図21に示す反応単位102の構成では、図23に示す反応単位102の構成と比較して、第3の比率R3(=β/α)の値が小さくなっている。また、図22に示す反応単位102の構成では、図23に示す反応単位102の構成と比較して、空気極厚さβの値が小さい。そのため、図22に示す反応単位102の構成では、図23に示す反応単位102の構成と比較して、第3の比率R3(=β/α)の値が小さくなっている。   FIGS. 21 to 23 are explanatory diagrams conceptually showing the relationship between the third ratio R3 (= β / α) and the performance in the EC mode. 21 to 23 show the YZ cross-sectional configuration of a part of the reaction unit 102 (X1 portion in FIG. 5). In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 21, the value of the shortest distance α between the protrusions is larger than that of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 21, the value of the third ratio R3 (= β / α) is smaller than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Further, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 22, the value of the air electrode thickness β is smaller than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 22, the value of the third ratio R3 (= β / α) is smaller than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG.

ここで、ECモードにおいて、空気極114の活性層220で発生した電子は、活性層220から集電層210内を通過して集電体190内に進入するが、集電層210と集電体190との間の電子のやりとりは、集電層210の表面の内、集電体190の凸部192に接しない部分(すなわち、凸部間最短距離αに対応する部分)では行われず、集電体190の凸部192に接する部分(すなわち、凸部接触部幅γに対応する部分)で行われる。また、活性層220で発生した電子は、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ4以内の範囲の方向に沿って、集電体190に向けて流れる。そのため、図21に示すように凸部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図22に示すように空気極厚さβの値が比較的小さい構成(すなわち、第3の比率R3の値が比較的小さい構成)では、活性層220の内の一部の領域Ax4で発生した電子が集電体190の凸部192に到達しにくくなることによって活性化分極が大きくなり、その結果、反応単位102の性能が低くなる。   Here, in the EC mode, electrons generated in the active layer 220 of the air electrode 114 pass through the current collection layer 210 from the active layer 220 and enter the current collector 190. The exchange of electrons with the body 190 is not performed in the portion of the surface of the current collecting layer 210 that does not contact the convex portion 192 of the current collector 190 (that is, the portion corresponding to the shortest distance α between the convex portions). This is performed at a portion in contact with the convex portion 192 of the current collector 190 (ie, a portion corresponding to the convex portion contact portion width γ). Electrons generated in the active layer 220 flow toward the current collector 190 along a direction in which the inclination with respect to the Z-axis direction is approximately within a predetermined value θ4. Therefore, a configuration in which the value of the shortest distance between projections α is relatively large as shown in FIG. 21 or a configuration in which the value of the air electrode thickness β is relatively small as shown in FIG. 22 (that is, the value of the third ratio R3). Is relatively small), the electrons generated in a part of the region Ax4 in the active layer 220 are less likely to reach the convex portion 192 of the current collector 190, thereby increasing the activation polarization. The performance of the unit 102 is lowered.

これに対し、図23に示す反応単位102の構成では、図21に示す反応単位102の構成と比較して、凸部間最短距離αの値が小さく、また、図22に示す反応単位102の構成と比較して、空気極厚さβの値が大きい。すなわち、図23に示す反応単位102の構成では、図21および図22に示す反応単位102の構成と比較して、第3の比率R3(=β/α)の値が大きい。図23に示す反応単位102の構成では、凸部間最短距離αの値が比較的小さいため、空気極114の活性層220の内、そこで発生した電子が集電体190の凸部192に到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図23に示す反応単位102の構成では、空気極厚さβの値が比較的大きいため、空気極114の活性層220で発生した電子の、Z軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。なお、活性層220の厚さ方向の全体(活性層220と中間層180との界面付近を含む)にわたって、そこで発生した電子を良好に集電体190の凸部192に到達させるためには、空気極集電層厚さδではなく空気極厚さβと凸部間最短距離αとの関係(すなわち、第3の比率R3(=β/α))が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図23に示すように、第3の比率R3の値が比較的大きい構成では、空気極114の活性層220の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した電子が集電体190の凸部192に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 23, the value of the shortest distance between convex portions α is smaller than that of the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 21, and the reaction unit 102 shown in FIG. Compared with the configuration, the value of the air electrode thickness β is large. That is, in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 23, the value of the third ratio R3 (= β / α) is larger than that in the configuration of the reaction unit 102 shown in FIGS. In the structure of the reaction unit 102 shown in FIG. 23, the value of the shortest distance α between the convex portions is relatively small, so that the electrons generated in the active layer 220 of the air electrode 114 reach the convex portion 192 of the current collector 190. It is possible to reduce the area of the region that is difficult to perform. In the configuration of the reaction unit 102 shown in FIG. 23, since the value of the air electrode thickness β is relatively large, the movement distance of electrons generated in the active layer 220 of the air electrode 114 in the direction orthogonal to the Z-axis direction. Can be made relatively long. In order to satisfactorily reach the generated electrons 192 of the current collector 190 over the entire thickness of the active layer 220 (including the vicinity of the interface between the active layer 220 and the intermediate layer 180), It is preferable that the relationship between the air electrode thickness β, not the air electrode current collecting layer thickness δ, and the shortest distance α between the protrusions (that is, the third ratio R3 (= β / α)) satisfies the above requirement. Therefore, as shown in FIG. 23, in the configuration in which the value of the third ratio R3 is relatively large, the electrons generated there over the entire thickness direction of the active layer 220 of the air electrode 114 are the convex portions of the current collector 190. The region where it is difficult to reach 192 can be reduced, and a decrease in performance can be suppressed by suppressing an increase in activation polarization.

上述したように、第3の比率R3(=β/α)が0.035未満であり、かつ、第4の比率R4(=δ/α)が0.02未満であるサンプルS5の評価結果が、第3の比率R3が0.035以上であり、かつ、第4の比率R4が0.02以上であるサンプルS6〜S16の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位102のさらなる性能向上(性能低下の抑制)のためには、第3の比率R3が0.035以上であり、かつ、第4の比率R4が0.02以上であることが好ましいと言える。   As described above, the evaluation result of the sample S5 in which the third ratio R3 (= β / α) is less than 0.035 and the fourth ratio R4 (= δ / α) is less than 0.02. In consideration of being inferior to the evaluation results of the samples S6 to S16 in which the third ratio R3 is 0.035 or more and the fourth ratio R4 is 0.02 or more, further improvement in the performance of the reaction unit 102 ( In order to suppress performance degradation, it can be said that the third ratio R3 is preferably 0.035 or more and the fourth ratio R4 is preferably 0.02 or more.

(サンプルS6〜S8について)
サンプルS6〜S8の評価結果は、FCモード時の評価でもECモード時の評価でも、4番目に低い(すなわち、3番目に高い)「C」評価であった(ただし、サンプルS6のECモード時の評価は「D」評価)。サンプルS6〜S8では、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上であり、第1の比率R1(=β/γ)が0.07以上であり、第2の比率R2(=δ/γ)が0.06以上であり、第3の比率R3(=β/α)が0.035以上であり、かつ、第4の比率R4(=δ/α)が0.02以上である。しかし、サンプルS6およびS8では、第1の比率R1が0.16を超えており、サンプルS9〜S16(いずれも第1の比率R1が0.16以下である)と比べて過度に高い値となっている。また、サンプルS6およびS7では、第2の比率R2が0.14を超えており、サンプルS9〜S16(いずれも第2の比率R2が0.14以下である)と比べて過度に高い値となっている。
(About samples S6 to S8)
The evaluation results of samples S6 to S8 were the fourth lowest (ie, third highest) “C” evaluation in both the FC mode evaluation and the EC mode evaluation (however, in the sample S6 EC mode evaluation) Is rated “D”). In samples S6 to S8, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more, the first ratio R1 (= β / γ) is 0.07 or more, and the second ratio R2 ( = Δ / γ) is 0.06 or more, the third ratio R3 (= β / α) is 0.035 or more, and the fourth ratio R4 (= δ / α) is 0.02 or more. It is. However, in the samples S6 and S8, the first ratio R1 exceeds 0.16, which is an excessively high value compared to the samples S9 to S16 (both of which the first ratio R1 is 0.16 or less). It has become. Further, in samples S6 and S7, the second ratio R2 exceeds 0.14, which is an excessively high value compared to samples S9 to S16 (both of which the second ratio R2 is 0.14 or less). It has become.

第1の比率R1(=β/γ)が過度に高いということは、空気極厚さβの値が過度に大きいこと、および/または、凸部接触部幅γの値が過度に小さいことを意味する。空気極厚さβの値が過度に大きいと、ECモードにおける活性層220の各位置(中間層180との界面付近を含む)から空気室166までの酸素の排出経路が過度に長くなり、空気極114に圧力がかかることによって空気極114の剥離が生じ、その結果、性能が低くなる上に、空気極114を形成するための使用材料量の増加や、電気化学反応セルスタック100を駆動させていない状態においても空気極114と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、凸部接触部幅γの値が過度に小さいと、空気極114と集電体190との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して空気極114の破損を引き起こし、その結果、性能が低くなる。   That the first ratio R1 (= β / γ) is excessively high means that the value of the air electrode thickness β is excessively large and / or that the value of the convex portion contact width γ is excessively small. means. If the value of the air electrode thickness β is excessively large, the oxygen discharge path from each position (including the vicinity of the interface with the intermediate layer 180) of the active layer 220 in the EC mode to the air chamber 166 becomes excessively long. As a result of the pressure applied to the electrode 114, the air electrode 114 is peeled off. As a result, the performance is lowered, and the amount of material used to form the air electrode 114 is increased, and the electrochemical reaction cell stack 100 is driven. Even in a state where the air electrode 114 is not, the possibility of the interface peeling between the air electrode 114 and other layers is increased. In addition, if the value of the protrusion contact portion width γ is excessively small, the contact area between the air electrode 114 and the current collector 190 is excessively small, and stress is concentrated to cause the air electrode 114 to be damaged. , Performance decreases.

また、第2の比率R2(=δ/γ)が過度に高いということは、空気極集電層厚さδの値が過度に大きいこと、および/または、凸部接触部幅γの値が過度に小さいことを意味する。空気極集電層厚さδの値が過度に大きいと、FCモードにおける空気室166から活性層220の各位置(集電層210との界面付近を含む)までの酸化剤ガスOGの拡散経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、性能が低くなる上に、集電層210を形成するための使用材料量の増加や集電層210と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、上述したように、凸部接触部幅γの値が過度に小さいと、空気極114と集電体190との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して空気極114の破損を引き起こし、その結果、性能が低くなる。   Further, the second ratio R2 (= δ / γ) being excessively high means that the value of the air electrode current collecting layer thickness δ is excessively large and / or the value of the convex portion contact portion width γ is large. Means it is too small. When the value of the air electrode current collecting layer thickness δ is excessively large, the diffusion path of the oxidant gas OG from the air chamber 166 to each position of the active layer 220 (including the vicinity of the interface with the current collecting layer 210) in the FC mode. Is excessively long, resulting in an increase in gas diffusion polarization. As a result, the performance is lowered, and the amount of material used to form the current collecting layer 210 is increased, and the interface between the current collecting layer 210 and other layers is increased. Causes increased possibility of delamination. Further, as described above, if the value of the convex contact portion width γ is excessively small, the contact area between the air electrode 114 and the current collector 190 becomes excessively small, so stress concentrates and the air electrode 114 is damaged. Resulting in poor performance.

上述した理由の少なくとも1つによって、サンプルS6〜S8では、FCモードおよびECモードの少なくとも一方において、性能が低くなったものと考えられる。第1の比率R1が0.16以下であり、かつ、第2の比率R2が0.14以下であるという要件を満たさないサンプルS6〜S8の評価結果が、第1の比率R1が0.16以下であり、かつ、第2の比率R2が0.14以下という要件を満たすサンプルS9〜S16の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位102のさらなる性能向上(性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1が0.16以下であり、かつ、第2の比率R2が0.14以下であることが好ましいと言える。   For at least one of the reasons described above, it is considered that the performance of the samples S6 to S8 is low in at least one of the FC mode and the EC mode. The evaluation results of the samples S6 to S8 that do not satisfy the requirement that the first ratio R1 is 0.16 or less and the second ratio R2 is 0.14 or less indicate that the first ratio R1 is 0.16. In consideration of being inferior to the evaluation results of the samples S9 to S16 that satisfy the requirement that the second ratio R2 is equal to or less than 0.14, the performance of the reaction unit 102 is further improved (suppression of performance degradation). It can be said that the first ratio R1 is preferably 0.16 or less and the second ratio R2 is preferably 0.14 or less.

(サンプルS9〜S11について)
サンプルS9〜S11の評価結果は、FCモード時の評価でもECモード時の評価でも、5番目に低い(すなわち、2番目に高い)「B」評価であった(ただし、サンプルS9のECモード時の評価は「C」評価)。サンプルS9〜S11では、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上であり、第1の比率R1(=β/γ)が0.07以上、0.16以下であり、第2の比率R2(=δ/γ)が0.06以上、0.14以下であり、第3の比率R3(=β/α)が0.035以上であり、かつ、第4の比率R4(=δ/α)が0.02以上である。しかし、サンプルS9では、第3の比率R3が0.05未満であり、サンプルS12〜S16(いずれも第3の比率R3が0.05以上である)と比べて低い値となっている。また、サンプルS10およびS11では、第4の比率R4が0.04未満であり、サンプルS12〜S16(いずれも第4の比率R4が0.04以上である)と比べて低い値となっている。
(About samples S9 to S11)
The evaluation results of samples S9 to S11 were the fifth lowest (ie second highest) “B” evaluation in both FC mode evaluation and EC mode evaluation (however, in sample S9 EC mode) (C rating). In samples S9 to S11, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more, the first ratio R1 (= β / γ) is 0.07 or more and 0.16 or less, 2 ratio R2 (= δ / γ) is 0.06 or more and 0.14 or less, the third ratio R3 (= β / α) is 0.035 or more, and the fourth ratio R4 ( = Δ / α) is 0.02 or more. However, in the sample S9, the third ratio R3 is less than 0.05, which is a lower value than the samples S12 to S16 (all the third ratio R3 is 0.05 or more). Further, in the samples S10 and S11, the fourth ratio R4 is less than 0.04, which is a lower value than the samples S12 to S16 (both the fourth ratio R4 is 0.04 or more). .

上述したように、第3の比率R3の値が大きいほど、ECモードにおいて、空気極114の活性層220の内、そこで発生した電子が集電体190の凸部192に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。また、上述したように、第4の比率R4の値が大きいほど、FCモードにおいて、空気極114の活性層220の内、電子が到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。第3の比率R3が0.05以上であり、かつ、第4の比率R4が0.04以上であるという要件を満たさないサンプルS9〜S11の評価結果が、第3の比率R3が0.05以上であり、かつ、第4の比率R4が0.04以上であるという要件を満たすサンプルS12〜S16の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位102のさらなる性能向上(性能低下の抑制)のためには、第3の比率R3が0.05以上であり、かつ、第4の比率R4が0.04以上であることが好ましいと言える。   As described above, the larger the value of the third ratio R3, the smaller the region of the active layer 220 of the air electrode 114 in which electrons generated there are less likely to reach the convex portion 192 of the current collector 190 in the EC mode. It is possible to suppress the decrease in performance by suppressing the increase in activation polarization. Further, as described above, as the value of the fourth ratio R4 is larger, in the FC mode, it is possible to reduce the region where the electrons are less likely to reach in the active layer 220 of the air electrode 114, and increase the activation polarization. By suppressing it, the performance degradation can be suppressed. Evaluation results of samples S9 to S11 that do not satisfy the requirement that the third ratio R3 is 0.05 or more and the fourth ratio R4 is 0.04 or more show that the third ratio R3 is 0.05. Considering that the evaluation results of the samples S12 to S16 that satisfy the above requirement and the fourth ratio R4 is 0.04 or more are considered, the performance of the reaction unit 102 is further improved (suppression of performance degradation). Therefore, it can be said that the third ratio R3 is preferably 0.05 or more and the fourth ratio R4 is preferably 0.04 or more.

(サンプルS12について)
サンプルS12の評価結果は、ECモードにおいて、5番目に低い(すなわち、2番目に高い)「B」評価であった(ただし、FCモード時の評価は「A」評価)。サンプルS12では、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上であり、第1の比率R1(=β/γ)が0.07以上、0.16以下であり、第2の比率R2(=δ/γ)が0.06以上、0.14以下であり、第3の比率R3(=β/α)が0.05以上であり、かつ、第4の比率R4(=δ/α)が0.04以上である。しかし、サンプルS12では、第3の比率R3が0.13を超えており、サンプルS13〜S16(いずれも第3の比率R3が0.13以下である)と比べて過度に高い値となっている。また、サンプルS12では、第4の比率R4が0.12を超えており、サンプルS13〜S16(いずれも第4の比率R4が0.12以下である)と比べて過度に高い値となっている。
(About sample S12)
The evaluation result of the sample S12 was the “B” evaluation that is the fifth lowest (that is, the second highest) in the EC mode (however, the evaluation in the FC mode is “A” evaluation). In the sample S12, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more, the first ratio R1 (= β / γ) is 0.07 or more and 0.16 or less, and the second The ratio R2 (= δ / γ) is 0.06 or more and 0.14 or less, the third ratio R3 (= β / α) is 0.05 or more, and the fourth ratio R4 (= δ / Α) is 0.04 or more. However, in the sample S12, the third ratio R3 exceeds 0.13, which is an excessively high value compared to the samples S13 to S16 (all the third ratio R3 is 0.13 or less). Yes. Further, in the sample S12, the fourth ratio R4 exceeds 0.12, which is an excessively high value compared with the samples S13 to S16 (all of which the fourth ratio R4 is 0.12 or less). Yes.

第3の比率R3(=β/α)が過度に高いということは、空気極厚さβの値が過度に大きいこと、および/または、凸部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。空気極厚さβの値が過度に大きいと、ECモードにおける活性層220の各位置(中間層180との界面付近を含む)から空気室166までの酸素の排出経路が過度に長くなり、空気極114に圧力がかかることによって空気極114の剥離が生じ、その結果、性能が低くなる上に、空気極114を形成するための使用材料量の増加や、電気化学反応セルスタック100を駆動させていない状態においても空気極114と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、凸部間最短距離αの値が過度に小さいと、空気極114の集電層210における集電体190の凸部192に覆われていない部分の面積が過度に小さくなるため、ECモード時に活性層220において発生した酸素が空気室166に良好に排出されず、空気極114に圧力がかかることによって空気極114の剥離が生じ、その結果、性能が低くなる。   If the third ratio R3 (= β / α) is excessively high, it means that the value of the air electrode thickness β is excessively large and / or the value of the shortest distance α between the convex portions is excessively small. means. If the value of the air electrode thickness β is excessively large, the oxygen discharge path from each position (including the vicinity of the interface with the intermediate layer 180) of the active layer 220 in the EC mode to the air chamber 166 becomes excessively long. As a result of the pressure applied to the electrode 114, the air electrode 114 is peeled off. As a result, the performance is lowered, and the amount of material used to form the air electrode 114 is increased, and the electrochemical reaction cell stack 100 is driven. Even in a state where the air electrode 114 is not, the possibility of the interface peeling between the air electrode 114 and other layers is increased. In addition, if the value of the shortest distance α between the protrusions is excessively small, the area of the current collector layer 210 of the air electrode 114 that is not covered with the protrusions 192 of the current collector 190 is excessively small. Sometimes oxygen generated in the active layer 220 is not well discharged into the air chamber 166, and pressure is applied to the air electrode 114 to cause separation of the air electrode 114, resulting in poor performance.

また、第4の比率R4(=δ/α)が過度に高いということは、空気極集電層厚さδの値が過度に大きいこと、および/または、凸部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。上述したように、凸部間最短距離αの値が過度に小さいと、ECモード時に活性層220において発生した酸素が空気室166に良好に排出されず、空気極114に圧力がかかることによって空気極114の剥離が生じ、その結果、性能が低くなる。   Further, the fourth ratio R4 (= δ / α) being excessively high means that the value of the air electrode current collecting layer thickness δ is excessively large and / or the value of the shortest distance α between the convex portions is large. Means it is too small. As described above, if the value of the shortest distance α between the protrusions is excessively small, oxygen generated in the active layer 220 during the EC mode is not discharged well into the air chamber 166, and the air electrode 114 is pressurized and pressure is applied. The pole 114 peels off, resulting in poor performance.

上述した理由の少なくとも1つによって、サンプルS12では、ECモードにおける性能が低くなったものと考えられる。第3の比率R3が0.13以下であり、かつ、第4の比率R4が0.12以下であるという要件を満たさないサンプルS12の評価結果が、第3の比率R3が0.13以下であり、かつ、第4の比率R4が0.12以下であるという要件を満たすサンプルS13〜S16の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位102のさらなる性能向上(性能低下の抑制)のためには、第3の比率R3が0.13以下であり、かつ、第4の比率R4が0.12以下であることが好ましいと言える。   For at least one of the reasons described above, it is considered that the performance in the EC mode is low in the sample S12. The evaluation result of the sample S12 that does not satisfy the requirement that the third ratio R3 is 0.13 or less and the fourth ratio R4 is 0.12 or less is that the third ratio R3 is 0.13 or less. In view of being inferior to the evaluation results of the samples S13 to S16 that satisfy the requirement that the fourth ratio R4 is 0.12 or less, for further performance improvement of the reaction unit 102 (suppression of performance degradation) It can be said that the third ratio R3 is preferably 0.13 or less and the fourth ratio R4 is preferably 0.12 or less.

(性能評価結果のまとめ)
以上説明した性能評価結果を参照すると、反応単位102の性能向上(性能低下の抑制)のためには、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上であり、第1の比率R1(凸部接触部幅γに対する空気極厚さβの比(β/γ))が0.07以上であり、かつ、第2の比率R2(凸部接触部幅γに対する空気極集電層厚さδの比(δ/γ))が0.06以上であることが好ましく、第3の比率R3(凸部間最短距離αに対する空気極厚さβの比(β/α))が0.035以上であり、かつ、第4の比率R4(凸部間最短距離αに対する空気極集電層厚さδの比(δ/α))が0.02以上であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.16以下であり、かつ、第2の比率R2が0.14以下であることがさらに好ましく、第3の比率R3が0.05以上であり、かつ、第4の比率R4が0.04以上であることがさらに好ましく、第3の比率R3が0.13以下であり、かつ、第4の比率R4が0.12以下であることが最も好ましいと言える。
(Summary of performance evaluation results)
Referring to the performance evaluation results described above, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more to improve the performance of the reaction unit 102 (suppression of performance degradation), and the first ratio R1 (ratio of air electrode thickness β to convex contact width γ (β / γ)) is 0.07 or more, and second ratio R2 (air electrode current collecting layer to convex contact width γ) The ratio of thickness δ (δ / γ)) is preferably 0.06 or more, and the third ratio R3 (ratio of air electrode thickness β to shortest distance α between projections (β / α)) is 0. It is more preferable that the fourth ratio R4 (ratio of the air electrode current collecting layer thickness δ to the shortest distance α between the protrusions (δ / α)) is 0.02 or more. More preferably, the ratio R1 of 1 is 0.16 or less, and the second ratio R2 is 0.14 or less, and the third ratio 3 is 0.05 or more, and the fourth ratio R4 is more preferably 0.04 or more, the third ratio R3 is 0.13 or less, and the fourth ratio R4 is 0. It can be said that it is most preferable that it is 12 or less.

A−4.空気極114の各層の気孔率の特定方法:
上述した空気極114の集電層210の気孔率RO1の特定は、水谷惟恭著「セラミックプロセシング」(技報堂出版)のp.193−195の記載を参考に、以下の方法に従って行った(図24参照)。まず、反応単位102(単セル110)において、空気室166におけるガス(酸化剤ガスOGまたは酸素)の流れ方向(図4および図6に示すように本実施形態ではX軸方向)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、該流れ方向に略直交する断面(本実施形態ではYZ断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、空気極114の集電層210における集電体190側の表面を含む部分が写ったFIB−SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。上記各SEM画像において、空気極114の集電層210における集電体190側の表面付近に、Z軸方向に直交する5本の仮想直線VL(VL11〜VL15)を1μm間隔で設定する。5本の仮想直線VLのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線VLの全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該仮想直線VL上における気孔率とする。すべてのSEM画像において設定されたすべての仮想直線VL上における気孔率の平均値を、空気極114の集電層210の気孔率RO1とする。
A-4. Method for specifying the porosity of each layer of the air electrode 114:
The porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 described above is specified by “Mitani Kaoru” “Ceramic Processing” (Gihodo Publishing) p. Referring to the description of 193-195, the following method was used (see FIG. 24). First, in the reaction unit 102 (single cell 110), they are arranged along the flow direction of the gas (oxidant gas OG or oxygen) in the air chamber 166 (X-axis direction in this embodiment as shown in FIGS. 4 and 6). Cross sections (YZ cross section in the present embodiment) that are substantially orthogonal to the flow direction are set at any three positions, and the current collector 190 side of the current collector layer 210 of the air electrode 114 is at any three positions in each cross section. The SEM image (5000 times) in FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) where the part containing the surface of this was reflected is obtained. That is, nine SEM images are obtained. In each SEM image, five virtual straight lines VL (VL11 to VL15) orthogonal to the Z-axis direction are set at intervals of 1 μm near the surface of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 on the current collector 190 side. In each of the five virtual straight lines VL, the length of each portion corresponding to the pore is measured, and the ratio of the total length of each portion corresponding to the pore to the entire length of the virtual straight line VL is the porosity on the virtual straight line VL. . The average value of the porosity on all the virtual straight lines VL set in all the SEM images is defined as the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114.

同様に、空気極114の活性層220の気孔率RO2の特定は、以下の方法に従って行った(図24参照)。まず、反応単位102(単セル110)において、空気室166におけるガス(酸化剤ガスOGまたは酸素)の流れ方向(本実施形態ではX軸方向)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、該流れ方向に略直交する断面(本実施形態ではYZ断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、空気極114の活性層220における電解質層112側(中間層180側)の表面を含む部分が写ったFIB−SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。上記各SEM画像において、空気極114の活性層220における電解質層112側(中間層180側)の表面付近に、Z軸方向に直交する5本の仮想直線VL(VL21〜VL25)を1μm間隔で設定する。なお、空気極114の活性層220における電解質層112側(中間層180側)の表面は、上記各SEM画像において、空気極114の活性層220と電解質層112や中間層180との構成物質の相違等に基づき特定することができる。5本の仮想直線VLのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線VLの全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該仮想直線VL上における気孔率とする。すべてのSEM画像において設定されたすべての仮想直線VL上における気孔率の平均値を、空気極114の活性層220の気孔率RO2とする。   Similarly, the porosity RO2 of the active layer 220 of the air electrode 114 was specified according to the following method (see FIG. 24). First, in the reaction unit 102 (single cell 110), the flow at any three positions aligned along the flow direction (X-axis direction in the present embodiment) of the gas (oxidant gas OG or oxygen) in the air chamber 166. A cross section (YZ cross section in the present embodiment) that is substantially orthogonal to the direction is set, and a portion including the surface of the active layer 220 of the air electrode 114 on the electrolyte layer 112 side (intermediate layer 180 side) at any three positions in each cross section SEM image (5000 times) in FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) in which is shown. That is, nine SEM images are obtained. In each of the SEM images, five virtual straight lines VL (VL21 to VL25) orthogonal to the Z-axis direction are arranged at 1 μm intervals near the surface of the active layer 220 of the air electrode 114 on the electrolyte layer 112 side (intermediate layer 180 side). Set. The surface of the active layer 220 of the air electrode 114 on the electrolyte layer 112 side (intermediate layer 180 side) is a component of the constituent material of the active layer 220 of the air electrode 114 and the electrolyte layer 112 or the intermediate layer 180 in each SEM image. It can be specified based on differences. In each of the five virtual straight lines VL, the length of each portion corresponding to the pore is measured, and the ratio of the total length of each portion corresponding to the pore to the entire length of the virtual straight line VL is the porosity on the virtual straight line VL. . Let the average value of the porosity on all the virtual straight lines VL set in all the SEM images be the porosity RO2 of the active layer 220 of the air electrode 114.

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
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.

上記実施形態における単セル110、反応単位102または電気化学反応セルスタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、空気極114は、2層構成であるとしているが、空気極114が、構成材料の互いに異なる3つ以上の層から構成されているとしてもよい。   The configuration of the single cell 110, the reaction unit 102, or the electrochemical reaction cell stack 100 in the above embodiment is merely an example, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the air electrode 114 has a two-layer structure, but the air electrode 114 may be formed of three or more layers of different constituent materials.

また、上記実施形態では、単セル110が中間層180を備えているが、単セル110は必ずしも中間層180を備える必要は無い。また、上記実施形態では、インターコネクタ150と空気極側集電体134(集電体要素135)とが一体部材であるが、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが別部材であってもよい。   In the above embodiment, the single cell 110 includes the intermediate layer 180, but the single cell 110 does not necessarily include the intermediate layer 180. In the above embodiment, the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) are integrated members, but the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 are separate members. May be.

また、上記実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)がコート136に覆われているが、空気極側集電体134がコート136に覆われていないとしてもよい。このような構成では、集電体190には、コート136が含まれない。また、上記実施形態では、(コート136に覆われた)空気極側集電体134(集電体要素135)が接合層138を介して空気極114に接しているが、空気極側集電体134が接合層138を介さずに空気極114に接しているとしてもよい。このような構成では、集電体190には、接合層138が含まれない。   In the above embodiment, the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) is covered with the coat 136, but the air electrode side current collector 134 may not be covered with the coat 136. In such a configuration, the current collector 190 does not include the coat 136. In the above embodiment, the air electrode side current collector 134 (covered by the coat 136) (the current collector element 135) is in contact with the air electrode 114 via the bonding layer 138. The body 134 may be in contact with the air electrode 114 without using the bonding layer 138. In such a configuration, the current collector 190 does not include the bonding layer 138.

また、図25は、変形例における集電体190付近の構成を概略的に示す説明図である。図25に示す変形例では、接合層138の気孔率が例えば30%〜45%と比較的高く、また、接合層138が空気極114の表面を連続的に覆っている。図25に示す変形例では、接合層138は、集電とガス拡散の役割を担っているため、機能的には「空気極(第1の空気極層)」の一部である。そのため、図25に示す変形例では、インターコネクタ150と空気極側集電体134(集電体要素135)との一体部材と、コート136とが、集電体190として機能し、該集電体190の内、コート136に覆われた集電体要素135から構成される複数の部分が、第1の空気極層(集電層210+接合層138)における上側の表面に接する凸部192として機能する。また、図25に示す変形例では、空気極厚さβは、空気極(空気極114+接合層138)の内の集電体190の凸部192に接する部分における最薄部の厚さであり、空気極集電層厚さδは、第1の空気極層(集電層210+接合層138)の内の集電体190の凸部192に接する部分における最薄部の厚さである。また、図25に示す変形例では、凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αは、第1の空気極層(集電層210+接合層138)の内の集電体190の凸部192に接する部分における最薄部の上端から距離Lx(=10μm)だけ上方に位置し、かつ、Z軸方向に直交する仮想直線VL1上において特定される。   FIG. 25 is an explanatory diagram schematically showing a configuration in the vicinity of the current collector 190 in a modified example. In the modification shown in FIG. 25, the porosity of the bonding layer 138 is relatively high, for example, 30% to 45%, and the bonding layer 138 continuously covers the surface of the air electrode 114. In the modification shown in FIG. 25, the bonding layer 138 plays a role of current collection and gas diffusion, and thus is functionally part of the “air electrode (first air electrode layer)”. Therefore, in the modification shown in FIG. 25, the integrated member of the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) and the coat 136 function as the current collector 190, and the current collector Among the body 190, a plurality of portions composed of the current collector elements 135 covered with the coat 136 are convex portions 192 that are in contact with the upper surface of the first air electrode layer (current collection layer 210 + bonding layer 138). Function. In the modification shown in FIG. 25, the air electrode thickness β is the thickness of the thinnest part of the air electrode (air electrode 114 + bonding layer 138) that is in contact with the convex portion 192 of the current collector 190. The thickness δ of the air electrode current collecting layer is the thickness of the thinnest portion of the first air electrode layer (current collecting layer 210 + joining layer 138) in the portion in contact with the convex portion 192 of the current collector 190. In the modification shown in FIG. 25, the convex contact portion width γ and the shortest inter-convex distance α are the convex portions of the current collector 190 in the first air electrode layer (current collection layer 210 + joining layer 138). It is specified on an imaginary straight line VL1 that is located at a distance Lx (= 10 μm) from the upper end of the thinnest portion in the portion that contacts 192 and is orthogonal to the Z-axis direction.

なお、上述した凸部間最短距離α、空気極厚さβ、凸部接触部幅γ、空気極集電層厚さδは、それぞれ、以下の範囲であることが好ましい。
・1000μm≦凸部間最短距離α≦2000μm
・30μm≦空気極厚さβ≦200μm
・300μm≦凸部接触部幅γ≦2000μm
・20μm≦空気極集電層厚さδ≦190μm
In addition, it is preferable that the shortest distance α between the convex portions, the air electrode thickness β, the convex portion contact portion width γ, and the air electrode current collecting layer thickness δ described above are in the following ranges, respectively.
・ 1000μm ≦ shortest distance between protrusions α ≦ 2000μm
・ 30μm ≦ Air electrode thickness β ≦ 200μm
・ 300 μm ≤ convex contact part width γ ≤ 2000 μm
・ 20μm ≦ Cathode current collecting layer thickness δ ≦ 190μm

また、上記実施形態において、電気化学反応セルスタック100に含まれる単セル110(反応単位102)の個数は、あくまで一例であり、単セル110(反応単位102)の個数は電気化学反応セルスタック100に要求される出力電圧や水素生成量等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。   Moreover, in the said embodiment, the number of the single cells 110 (reaction unit 102) contained in the electrochemical reaction cell stack 100 is an example to the last, and the number of the single cells 110 (reaction unit 102) is the electrochemical reaction cell stack 100. It is determined as appropriate according to the output voltage and the amount of hydrogen generation required. Moreover, the material which comprises each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be comprised with the other material.

また、上記実施形態に記載した反応単位102の性能向上(性能低下の抑制)のための構成要件(例えば、空気極114の集電層210の気孔率RO1が30%以上であり、第1の比率R1(=β/γ)が0.07以上であり、かつ、第2の比率R2(δ/γ)が0.06以上であること等)は、必ずしも電気化学反応セルスタック100を構成する複数の反応単位102のすべてにおいて満たされている必要はなく、電気化学反応セルスタック100を構成する複数の反応単位102の内の少なくとも1つにおいて満たされていればよい。また、1つの反応単位102に注目したときに、該構成要件は、必ずしも集電体190が備える複数の凸部192のすべてにおいて満たされている必要はなく、集電体190が備える複数の凸部192の内の少なくとも1つにおいて満たされていればよい。なお、反応単位102の効果的な性能向上(性能低下の抑制)のため、集電体190が備えるすべての凸部192の内、30%以上の凸部192において上記構成要件が満たされていることが好ましく、50%以上の凸部192において上記構成要件が満たされていることがより好ましく、70%以上の凸部192において上記構成要件が満たされていることがさらに好ましく、90%以上の凸部192において上記構成要件が満たされていることが一層好ましく、100%の凸部192において上記構成要件が満たされていることが最も好ましい。該構成要件が満たされている凸部192は、特許請求の範囲における特定凸部に相当する。   Further, the structural requirements for improving the performance of the reaction unit 102 described in the above embodiment (suppressing the performance degradation) (for example, the porosity RO1 of the current collecting layer 210 of the air electrode 114 is 30% or more, and the first The ratio R1 (= β / γ) is 0.07 or more and the second ratio R2 (δ / γ) is 0.06 or more) does not necessarily constitute the electrochemical reaction cell stack 100. It does not have to be filled in all of the plurality of reaction units 102, but may be filled in at least one of the plurality of reaction units 102 constituting the electrochemical reaction cell stack 100. Further, when focusing on one reaction unit 102, the constituent requirement does not necessarily have to be satisfied in all of the plurality of protrusions 192 included in the current collector 190, and the plurality of protrusions included in the current collector 190. It is sufficient that at least one of the portions 192 is satisfied. In addition, in order to effectively improve the performance of the reaction unit 102 (suppression of performance degradation), the above-described structural requirements are satisfied in 30% or more of the convex portions 192 among all the convex portions 192 included in the current collector 190. It is more preferable that 50% or more of the projections 192 satisfy the above-described configuration requirements, 70% or more of the projections 192 preferably satisfy the above-described configuration requirements, and 90% or more. It is more preferable that the above-mentioned constituent requirements are satisfied in the convex portion 192, and it is most preferable that the above-described constituent requirements are satisfied in 100% of the convex portions 192. The convex portion 192 that satisfies the constituent elements corresponds to the specific convex portion in the claims.

また、上記実施形態では、いわゆるリバーシブル型の電気化学反応セルスタックを例に説明したが、一般に、燃料電池スタックは、その構成上、電解セルスタックとしても使用可能であり、電解セルスタックは、その構成上、燃料電池スタックとしても使用可能であるため、本発明は、「リバーシブル型」とされているものに限らず、一般的な燃料電池スタック(燃料電池発電単位)および電解セルスタック(電解セル単位)にも適用可能である。   In the above embodiment, a so-called reversible electrochemical reaction cell stack has been described as an example. Generally, a fuel cell stack can also be used as an electrolysis cell stack because of its configuration. Since it can be used as a fuel cell stack in terms of configuration, the present invention is not limited to the “reversible type”, and a general fuel cell stack (fuel cell power generation unit) and an electrolysis cell stack (electrolysis cell) (Unit).

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention is applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable.

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:電気化学反応セルスタック 102:電気化学反応単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 136:コート 138:接合層 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:中間層 190:集電体 192:凸部 210:集電層 220:活性層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Electrochemical reaction cell stack 102: Electrochemical reaction unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134 : Air electrode side current collector 135: Current collector element 136: Coat 138: Bonding layer 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collection Body 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 180: Intermediate layer 190: Current collector 192: Convex part 210: Current collecting layer 220: Active layer

Claims (7)

電解質層と、前記電解質層に対して第1の方向の一方側に配置された燃料極と、前記電解質層に対して前記第1の方向の他方側に配置された空気極であって、前記空気極における前記第1の方向の前記他方側の表面を構成する第1の空気極層と、前記第1の空気極層と前記電解質層との間に配置された第2の空気極層と、を含む前記空気極と、を備える電気化学反応単セルと、
前記第1の空気極層における前記第1の方向の前記他方側の表面に接する複数の凸部を有する導電性の集電体と、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1の空気極層の気孔率は、30%以上であり、
前記複数の凸部の内の少なくとも1つである特定凸部について、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記特定凸部の前記第1の空気極層に接する部分の幅γに対する、前記第1の方向における前記空気極の厚さβの比である第1の比率(β/γ)は、0.07以上であり、かつ、前記幅γに対する、前記第1の方向における前記第1の空気極層の厚さδの比である第2の比率(δ/γ)は、0.06以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
An electrolyte layer, a fuel electrode disposed on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer, and an air electrode disposed on the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer, A first air electrode layer constituting the surface of the other side of the air electrode in the first direction; a second air electrode layer disposed between the first air electrode layer and the electrolyte layer; An electrochemical reaction unit cell comprising: the air electrode comprising:
A conductive current collector having a plurality of convex portions in contact with the surface on the other side in the first direction in the first air electrode layer;
In an electrochemical reaction unit comprising:
The porosity of the first air electrode layer is 30% or more,
For the specific convex portion that is at least one of the plurality of convex portions, the width γ of the portion of the specific convex portion that is in contact with the first air electrode layer in the second direction orthogonal to the first direction The first ratio (β / γ), which is the ratio of the thickness β of the air electrode in the first direction, is 0.07 or more and the width γ with respect to the first direction. The electrochemical reaction unit, wherein the second ratio (δ / γ), which is the ratio of the thickness δ of the first air electrode layer, is 0.06 or more.
請求項1に記載の電気化学反応単位において、
前記特定凸部について、前記第2の方向における前記特定凸部と前記特定凸部の隣に位置する前記凸部との間の最短距離αに対する、前記第1の方向における前記空気極の厚さβの比である第3の比率(β/α)は、0.035以上であり、かつ、前記最短距離αに対する、前記第1の方向における前記第1の空気極層の厚さδの比である第4の比率(δ/α)は、0.02以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 1,
For the specific convex portion, the thickness of the air electrode in the first direction with respect to the shortest distance α between the specific convex portion in the second direction and the convex portion located next to the specific convex portion. The third ratio (β / α) which is the ratio of β is 0.035 or more, and the ratio of the thickness δ of the first air electrode layer in the first direction to the shortest distance α. The electrochemical reaction unit, wherein the fourth ratio (δ / α) is 0.02 or more.
請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記特定凸部について、前記第1の比率(β/γ)は、0.16以下であり、かつ、前記第2の比率(δ/γ)は、0.14以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 2,
Regarding the specific convex portion, the first ratio (β / γ) is 0.16 or less, and the second ratio (δ / γ) is 0.14 or less. , Electrochemical reaction unit.
請求項3に記載の電気化学反応単位において、
前記特定凸部について、前記第3の比率(β/α)は、0.05以上であり、かつ、前記第4の比率(δ/α)は、0.04以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 3,
For the specific convex portion, the third ratio (β / α) is 0.05 or more, and the fourth ratio (δ / α) is 0.04 or more. , Electrochemical reaction unit.
請求項4に記載の電気化学反応単位において、
前記特定凸部について、前記第3の比率(β/α)は、0.13以下であり、かつ、前記第4の比率(δ/α)は、0.12以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 4,
For the specific convex portion, the third ratio (β / α) is 0.13 or less, and the fourth ratio (δ / α) is 0.12 or less. , Electrochemical reaction unit.
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記空気極における前記第1の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記空気極における前記第1の方向の前記一方側の部分の気孔率より高いことを特徴とする、電気化学反応単位。
In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 5,
The porosity of the other side portion in the first direction of the air electrode is higher than the porosity of the one side portion in the first direction of the air electrode. .
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位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位の少なくとも1つは、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位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 units 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 units is the electrochemical reaction unit according to claim 1.
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