JP7245210B2 - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed by this specification relates to an electrochemical reaction single cell and an electrochemical reaction cell stack.

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は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層の所定の方向（以下、「第１の方向」という。）の一方側に配置された空気極と、電解質層の第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える。空気極は、複数の気孔が形成された集電層と、集電層の下方側に接合され、集電層の気孔率よりも小さい気孔率を有する機能層とを含む。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of fuel cells that generate electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The SOFC includes a single fuel cell (hereinafter referred to as "single cell"). The single cell includes an electrolyte layer, an air electrode arranged on one side of the electrolyte layer in a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction"), and an air electrode arranged on the other side of the electrolyte layer in the first direction. and a fuel electrode. The air electrode includes a current collecting layer having a plurality of pores, and a functional layer bonded to the lower side of the current collecting layer and having a porosity smaller than that of the current collecting layer.

集電層は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（以下、「第１の材料」という。）を含有する（例えば、特許文献１参照）。集電層は、主として、空気極に面する空気室から供給された酸化剤ガスを拡散させると共に、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する。機能層は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（以下、「第２の材料」という。）と、希土類元素ドープ酸化セリウム（以下、「第３の材料」という。）とを含有する。機能層は、主として、酸化剤ガスに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する。 The current collecting layer contains a perovskite-type oxide represented by ABO 3 (hereinafter referred to as "first material") (see, for example, Patent Document 1). The current collecting layer mainly functions as a field for diffusing the oxidant gas supplied from the air chamber facing the air electrode and for collecting the electricity obtained by the power generation reaction. The functional layer contains a perovskite oxide represented by ABO 3 (hereinafter referred to as "second material") and rare earth element-doped cerium oxide (hereinafter referred to as "third material"). The functional layer mainly functions as an ionization reaction site for oxygen contained in the oxidant gas.

特開２０１９－３６４１３号公報JP 2019-36413 A

上記の従来の燃料電池では、「集電層に含有される第１の材料の平均結晶子サイズは、機能層に含有される第２の材料の平均結晶子サイズと、第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件を満たしていなかった。例えば、集電層に含有される第１の材料の平均結晶子サイズが、機能層に含有される第２の材料の平均結晶子サイズと、第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれかと同等である構成においては、集電層と機能層との界面において熱膨張差により生じる応力により、集電層と機能層との剥離が生じるおそれがある。 In the conventional fuel cell described above, "the average crystallite size of the first material contained in the current collection layer is the average crystallite size of the second material contained in the functional layer, and the average crystallite size of the third material contained in the functional layer. The condition of "larger than either crystallite size" was not satisfied. For example, the average crystallite size of the first material contained in the current collecting layer is either the average crystallite size of the second material contained in the functional layer or the average crystallite size of the third material contained in the functional layer. In an equivalent structure, the current collecting layer and the functional layer may be separated from each other due to the stress caused by the difference in thermal expansion at the interface between the current collecting layer and the functional layer.

なお、このような課題は、上記第３の材料として希土類元素ドープ酸化セリウムに換えて、または加えて、希土類元素ドープ酸化ジルコニウムを用いた単セルにも共通の課題であり、また、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）にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて「電気化学反応単セル」という。 Such a problem is common to single cells using rare earth element-doped zirconium oxide instead of or in addition to rare earth element-doped cerium oxide as the third material. This problem is common to solid oxide electrolysis cells (hereinafter referred to as "SOEC") that generate hydrogen using a decomposition reaction. In this specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as "electrochemical reaction single cell".

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technology capable of solving the above-described problems.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be implemented, for example, in the following forms.

（１）本明細書に開示される電気化学反応単セルは、電解質層と、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極であって、複数の気孔が形成された第１の空気極層と、前記第１の空気極層の前記第１の方向の他方側に接合され、前記第１の空気極層の気孔率よりも小さい気孔率を有する第２の空気極層と、を含み、前記第１の空気極層は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物である第１の材料を含有し、前記第２の空気極層は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物である第２の材料と、希土類元素ドープ酸化セリウムと希土類元素ドープ酸化ジルコニウムとの少なくとも一方である第３の材料とを含有する空気極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える電気化学反応単セルであって、前記第１の空気極層に含有される前記第１の材料の平均結晶子サイズは、前記第２の空気極層に含有される前記第２の材料の平均結晶子サイズと、前記第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい。 (1) An electrochemical reaction unit cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer and an air electrode disposed on one side of the electrolyte layer in a first direction, and a first electrode having a plurality of pores formed therein. one air electrode layer, and a second air electrode layer joined to the other side of the first air electrode layer in the first direction and having a porosity smaller than that of the first air electrode layer. and wherein the first cathode layer contains a first material that is a perovskite-type oxide represented by ABO3, and the second cathode layer is a perovskite-type oxide represented by ABO3 an air electrode containing a second material that is an oxide and a third material that is at least one of rare earth element-doped cerium oxide and rare earth element-doped zirconium oxide; and the other side of the electrolyte layer in the first direction. and an anode disposed on the side of the electrochemical reaction unit cell, wherein the average crystallite size of the first material contained in the first cathode layer is equal to that of the second cathode layer larger than both the average crystallite size of the second material and the average crystallite size of the third material contained in .

本電気化学反応単セルでは、上述したように「第１の空気極層に含有される第１の材料の平均結晶子サイズは、第２の空気極層に含有される第２の材料の平均結晶子サイズと、第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件を満たす。本電気化学反応単セルでは、当該条件を満たすことにより、上記第１の材料の平均結晶子サイズが上記第２の材料の平均結晶子サイズと上記第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれかと同等である構成と比較して、第１の空気極層と第２の空気極層との界面付近において、第２の材料および第３の材料が第１の材料の粒子間に入り込みやすい。その結果、第１の材料と、第２の材料および第３の材料との接触面積が向上することにより、第１の空気極層と第２の空気極層との接合強度が向上する。そのため、本電気化学反応単セルによれば、第１の空気極層と第２の空気極層との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する第１の空気極層と第２の空気極層との剥離を抑制することができる。 In this electrochemical reaction single cell, as described above, "the average crystallite size of the first material contained in the first air electrode layer is the average crystallite size of the second material contained in the second air electrode layer. larger than both the crystallite size and the average crystallite size of the third material". In the present electrochemical reaction single cell, by satisfying the conditions, the average crystallite size of the first material is either the average crystallite size of the second material or the average crystallite size of the third material. In comparison with the configuration equivalent to , the second material and the third material tend to enter between the particles of the first material in the vicinity of the interface between the first cathode layer and the second cathode layer. As a result, the contact area between the first material and the second and third materials increases, thereby improving the bonding strength between the first air electrode layer and the second air electrode layer. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, the stress caused by the difference in thermal expansion at the interface between the first air electrode layer and the second air electrode layer Separation from the layer can be suppressed.

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の材料は、Ａイオンが希土類元素とアルカリ土類元素との少なくとも一方であり、かつ、Ｂイオンが第４周期遷移元素である前記ペロブスカイト型酸化物である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、より効果的に、第１の空気極層と第２の空気極層との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する第１の空気極層と第２の空気極層との剥離を抑制することができる。 (2) In the above electrochemical reaction single cell, the first material is the perovskite type in which A ions are at least one of a rare earth element and an alkaline earth element, and B ions are a fourth period transition element. An oxide may be used. According to the present electrochemical reaction single cell, more effectively, the first air electrode layer and the second air electrode layer can be more detachment from the air electrode layer can be suppressed.

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の材料は、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、より効果的に、第１の空気極層と第２の空気極層との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する第１の空気極層と第２の空気極層との剥離を抑制することができる。 (3) In the above electrochemical reaction single cell, the first material may be lanthanum strontium cobalt iron oxide. According to the present electrochemical reaction single cell, more effectively, the first air electrode layer and the second air electrode layer can be more detachment from the air electrode layer can be suppressed.

（４）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、上記電気化学反応単セルと、前記第１の空気極層の前記第１の方向の一方側に接合される他の部材（以下、単に「他の部材」という。）と、を備え、前記第１の空気極層に含有される前記第１の材料のＡサイトに位置する元素のモル数の合計をＡｔとし、当該第１の材料のＢサイトに位置する元素のモル数の合計をＢｔとしたときに、数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たす。 (4) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification includes the electrochemical reaction single cell and another member (hereinafter referred to as , simply referred to as “another member”), wherein At is the total number of moles of elements located at the A site of the first material contained in the first air electrode layer, and the first The formula: At/Bt≦1.025 is satisfied, where Bt is the total number of moles of elements located at the B site of the material of .

仮にＡｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成においては、第１の空気極層と他の部材との界面において熱膨張差により生じる応力により、第１の空気極層と他の部材との剥離が生じるおそれがある。 In a configuration where At/Bt is greater than 1.025, the stress generated by the difference in thermal expansion at the interface between the first air electrode layer and other members causes separation between the first air electrode layer and other members. may occur.

これに対し、本実電気化学反応セルスタックでは、上述したように数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たすことにより、Ａｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成と比較して、第１の材料の焼結性が向上する。これにより、第１の空気極層と他の部材との界面において熱膨張差により生じる応力に対する耐性が向上することにより、第１の空気極層と他の部材との接合強度が向上する。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、Ａｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成と比較して、第１の空気極層と他の部材との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する第１の空気極層と他の部材との剥離を抑制することができる。 On the other hand, in the actual electrochemical reaction cell stack, as described above, by satisfying the formula: At/Bt≦1.025, compared to the configuration where At/Bt is larger than 1.025, the first Sinterability of the material is improved. As a result, the resistance to stress caused by the difference in thermal expansion at the interface between the first air electrode layer and other members is improved, thereby improving the bonding strength between the first air electrode layer and other members. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, compared to the configuration where At/Bt is larger than 1.025, the stress caused by the difference in thermal expansion at the interface between the first air electrode layer and other members It is possible to suppress separation between the first air electrode layer and other members.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解セル）、電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、電気化学反応単セルの製造方法、電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）の製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be implemented in various forms, for example, electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolysis cell), electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a method for manufacturing an electrochemical reaction single cell, a method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), and the like.

本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 according to this embodiment; FIG. 図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図Explanatory drawing showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. 図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図Explanatory drawing showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. 図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図Explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図Explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 図４のＸ１部（単セル１１０の一部分）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory view showing an enlarged XZ cross-sectional configuration of an X1 portion (a part of the single cell 110) in FIG. 4; 性能評価結果を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing performance evaluation results;

Ａ．実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。 A. Embodiment:
A-1. composition:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of the fuel cell stack 100 in this embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying directions. In this specification, for the sake of 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. may be installed. The same applies to FIG. 4 and subsequent figures.

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上下方向（Ｚ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) power generation units 102 and a pair of end plates 104 and 106 . The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this embodiment). A pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below. The vertical direction (Z-axis direction) corresponds to the first direction in the claims.

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

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

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

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

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

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。 (Configuration of end plates 104, 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is arranged above the uppermost power generating unit 102 and the other end plate 106 is arranged below the lowermost power generating unit 102 . A pair of end plates 104 and 106 sandwich a plurality of power generation units 102 in a pressed state. The upper end plate 104 functions as the positive side output terminal of the fuel cell stack 100 , and the lower end plate 106 functions as the negative side output terminal of the fuel cell stack 100 .

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

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, an anode side frame 140, an anode side It has a current collector 144 and a pair of interconnectors 150 forming the top layer and the bottom layer of the power generation unit 102 . The separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150 are provided 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、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。 The interconnector 150 is a substantially rectangular plate-shaped conductive member, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generating units 102 and prevents mixing of reaction gases between the power generating units 102 . In this embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacently, one interconnector 150 is shared by the two adjacent power generation units 102 . That is, the upper interconnector 150 in a certain power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102 . In addition, since the fuel cell stack 100 has a pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, and is located at the bottom. The generating unit 102 does not have a lower interconnector 150 (see Figures 2 and 3).

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上方（上下方向の一方）側に配置された空気極（カソード)１１４と、電解質層１１２の下方（上下方向の他方）側に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１８０とを備えている。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６によって単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１８０）を支持する燃料極支持形の単セルである。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 arranged above (one side in the vertical direction) the electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 arranged below (the other side in the vertical direction) the electrolyte layer 112. It comprises a fuel electrode (anode) 116 and an intermediate layer 180 positioned between the electrolyte layer 112 and the cathode 114 . The single cell 110 of this embodiment is a fuel electrode supporting type single cell in which the fuel electrode 116 supports the other layers (the electrolyte layer 112, the air electrode 114, and the intermediate layer 180) constituting the single cell 110. FIG.

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（以下、「ＬＳＣＦ」という。））を含むように構成されている。空気極１１４の構成について、後に詳述する。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように構成されている。中間層１８０は、空気極１１４から拡散したＳｒ（ストロンチウム）が電解質層１１２に含まれるＺｒ（ジルコニウム）と反応して高抵抗な物質であるＳｒＺｒＯ３が生成されることを抑制する。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular plate-shaped member, and is configured to contain a solid oxide (for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia)). That is, the single cell 110 of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a substantially rectangular plate-shaped member, and is configured to contain a perovskite-type oxide represented by ABO3 (for example, lanthanum strontium cobalt iron oxide (hereinafter referred to as “LSCF”)). there is The configuration of the air electrode 114 will be detailed later. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular plate-shaped member, and is made of, for example, Ni (nickel), a cermet made of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The intermediate layer 180 is a substantially rectangular plate-shaped member, and is configured to contain, for example, GDC (gadolinium-doped ceria). The intermediate layer 180 prevents Sr (strontium) diffused from the air electrode 114 from reacting with Zr (zirconium) contained in the electrolyte layer 112 to generate SrZrO 3 which is a high resistance substance.

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 metal, for example. The peripheral portion of the separator 120 around the hole 121 faces the peripheral portion of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is joined to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a joining portion 124 formed of brazing material (for example, Ag brazing) arranged at the opposing portion. The air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116 are separated by the separator 120 to prevent gas leakage from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the unit cell 110 . Suppressed.

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

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

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

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から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として構成されてもよい。また、空気極側集電体１３４やインターコネクタ１５０の少なくとも一部の表面が、導電性のコートによって覆われていてもよい。また、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間に、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。 The air electrode side current collector 134 is arranged in the air chamber 166 . The air electrode-side current collector 134 is composed of a plurality of substantially quadrangular prism-shaped current collector elements, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode-side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114 . However, as described above, the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, so the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 is the upper end plate 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, it electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104). The cathode-side current collector 134 and the interconnector 150 may be configured as an integral member. At least part of the surfaces of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coating. A conductive bonding layer may be interposed between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 to bond the two.

なお、上述したように、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。従って、インターコネクタ１５０は、空気極側集電体１３４を介して空気極１１４に接続されている。また、このような構成に換えて、インターコネクタ１５０は、空気極側集電体１３４以外の部材を介して空気極１１４に接続されていてもよく、空気極１１４に接触することにより接続されていてもよい。上記の説明から明らかなように、インターコネクタ１５０は、空気極１１４（より詳細には、後述する集電層２２０）の上方側に接合されている。 As described above, the air electrode-side current collector 134 is formed on the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and on the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. in contact. Therefore, the interconnector 150 is connected to the air electrode 114 via the air electrode side current collector 134 . Alternatively, the interconnector 150 may be connected to the air electrode 114 via a member other than the air electrode side current collector 134, and is connected by contacting the air electrode 114. may As is clear from the above description, the interconnector 150 is joined to the upper side of the air electrode 114 (more specifically, the current collecting layer 220 described later).

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。 A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidizing gas OG is supplied to the oxidizing gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28 , and the oxidizing gas OG is supplied from the oxidizing gas introduction manifold 161 to each power generation unit 102 . The agent gas is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132 . 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 via the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to fuel chamber 176 through hole 142 .

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

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

Ａ－３．空気極１１４とその周辺部分の詳細構成：
次に、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０における空気極１１４とその周辺部分の詳細構成について説明する。図６は、図４のＸ１部（単セル１１０の一部分）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図６には、空気極側集電体１３４の一部と、空気極１１４の一部と、中間層１８０の一部と、電解質層１１２の一部とが示されている。 A-3. Detailed configuration of the air electrode 114 and its surroundings:
Next, the detailed configuration of the air electrode 114 and its peripheral portion in each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of this embodiment will be described. FIG. 6 is an explanatory view showing an enlarged XZ cross-sectional configuration of the X1 portion (part of the single cell 110) in FIG. FIG. 6 shows a portion of the cathode-side current collector 134, a portion of the cathode 114, a portion of the intermediate layer 180, and a portion of the electrolyte layer 112. FIG.

図６に示すように、本実施形態では、空気極１１４は、集電層２２０と、集電層２２０と電解質層１１２との間に配置された機能層２１０とから構成されている。集電層２２０と機能層２１０とには、気孔が形成されている。機能層２１０の気孔率は、集電層２２０の気孔率よりも小さい。機能層２１０の上方側の表面に、集電層２２０が接合されている。従って、機能層２１０は、集電層２２０の下方側に接合されている。なお、空気極１１４の集電層２２０は、特許請求の範囲における第１の空気極層に相当し、空気極１１４の機能層２１０は、特許請求の範囲における第２の空気極層に相当する。 As shown in FIG. 6 , in this embodiment, the air electrode 114 is composed of a collector layer 220 and a functional layer 210 arranged between the collector layer 220 and the electrolyte layer 112 . Pores are formed in the current collecting layer 220 and the functional layer 210 . The porosity of the functional layer 210 is smaller than that of the current collecting layer 220 . A collector layer 220 is bonded to the upper surface of the functional layer 210 . Accordingly, the functional layer 210 is bonded to the lower side of the current collection layer 220 . The current collecting layer 220 of the air electrode 114 corresponds to the first air electrode layer in the claims, and the functional layer 210 of the air electrode 114 corresponds to the second air electrode layer in the claims. .

機能層２１０は、主として、酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する層であり、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（本実施形態では、ＬＳＣＦ。以下、「第２の材料」という。）と、活性化物質である希土類元素ドープ酸化セリウム（本実施形態では、ＧＤＣ。以下、「第３の材料」という。）とを含有している。なお、ＬＳＣＦは、Ａイオンが希土類元素およびアルカリ土類元素であり、かつ、Ｂイオンが第４周期遷移元素であるペロブスカイト型酸化物に該当する。機能層２１０における第２の材料（ＬＳＣＦ）の含有比率は、１０ｖｏｌ％以上であることが好ましく、３０ｖｏｌ％以上であることがさらに好ましい。機能層２１０における第２の材料（ＬＳＣＦ）と第３の材料（ＧＤＣ）とを合わせた含有比率は７０ｖｏｌ％以上であることが好ましい。機能層２１０の厚さは、例えば、５μｍ～２０μｍ程度である。 The functional layer 210 is a layer that mainly functions as an ionization reaction site of oxygen contained in the oxidant gas OG, and is a perovskite-type oxide represented by ABO3 (LSCF in this embodiment. and a rare earth element-doped cerium oxide (GDC in this embodiment, hereinafter referred to as a "third material") as an activator. LSCF corresponds to a perovskite oxide in which A ions are rare earth elements and alkaline earth elements and B ions are a fourth period transition element. The content ratio of the second material (LSCF) in the functional layer 210 is preferably 10 vol % or more, more preferably 30 vol % or more. It is preferable that the combined content ratio of the second material (LSCF) and the third material (GDC) in the functional layer 210 is 70 vol % or more. The thickness of the functional layer 210 is, for example, about 5 μm to 20 μm.

なお、機能層２１０に含有される上記第２の材料として、ＬＳＣＦ以外のペロブスカイト型酸化物を採用してもよく、Ａイオンがアルカリ土類元素であり、かつ、Ｂイオンが第４周期遷移元素であるペロブスカイト型酸化物（例えば、ストロンチウムを含有するペロブスカイト型酸化物）を採用してもよい。また、機能層２１０に含有される上記第３の材料として、希土類元素ドープ酸化セリウムに換えて、または加えて、希土類元素ドープ酸化ジルコニウム（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を採用してもよい。 As the second material contained in the functional layer 210, a perovskite oxide other than LSCF may be employed, and the A ion is an alkaline earth element and the B ion is a fourth period transition element. A perovskite-type oxide (for example, a perovskite-type oxide containing strontium) may be employed. Further, as the third material contained in the functional layer 210, rare earth element-doped zirconium oxide (eg, YSZ (yttria stabilized zirconia)) may be employed in place of or in addition to rare earth element doped cerium oxide. good.

空気極１１４の集電層２２０は、主として、空気室１６６から供給された酸化剤ガスＯＧを拡散させると共に、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する層であり、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物（本実施形態では、ＬＳＣＦ。以下、「第１の材料」という。）を含有している。集電層２２０におけるＬＳＣＦの含有比率は、機能層２１０におけるＬＳＣＦの含有比率よりも多く、８０ｖｏｌ％以上であることが好ましく、９０ｖｏｌ％以上であることがさらに好ましい。集電層２２０の厚さは、例えば、５０μｍ～１００μｍ程度である。 The current collecting layer 220 of the air electrode 114 is a layer that mainly diffuses the oxidant gas OG supplied from the air chamber 166 and functions as a field for collecting the electricity obtained by the power generation reaction. (LSCF in this embodiment, hereinafter referred to as "first material"). The content ratio of LSCF in the current collecting layer 220 is higher than the content ratio of LSCF in the functional layer 210, preferably 80 vol% or more, more preferably 90 vol% or more. The thickness of the current collecting layer 220 is, for example, about 50 μm to 100 μm.

なお、集電層２２０に含有される上記第１の材料として、ＬＳＣＦ以外のペロブスカイト型酸化物を採用してもよく、Ａイオンがアルカリ土類元素であり、かつ、Ｂイオンが第４周期遷移元素であるペロブスカイト型酸化物（例えば、ストロンチウムを含有するペロブスカイト型酸化物）を採用してもよい。 As the first material contained in the current collecting layer 220, a perovskite-type oxide other than LSCF may be employed, and the A ion is an alkaline earth element, and the B ion is the fourth period transition. Elemental perovskite-type oxides (for example, perovskite-type oxides containing strontium) may be employed.

本実施形態の燃料電池スタック１００は、空気極１１４の構成に特徴がある。具体的には以下の通りである。 The fuel cell stack 100 of this embodiment is characterized by the configuration of the air electrode 114 . Specifically, it is as follows.

空気極１１４の集電層２２０に含有される上記第１の材料の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される上記第２の材料の平均結晶子サイズと、上記第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい。 The average crystallite size of the first material contained in the current collecting layer 220 of the air electrode 114 is the average crystallite size of the second material contained in the functional layer 210 and the average crystallite size of the third material contained in the functional layer 210. larger than either of the crystallite sizes.

集電層２２０は、数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たす。Ａｔは、集電層２２０に含有されるＬＳＣＦのＡサイトに位置する元素（Ｌａ、Ｓｒ）のモル数の合計であり、Ｂｔは、当該ＬＳＣＦのＢサイトに位置する元素（Ｃｏ、Ｆｅ）のモル数の合計である。 The current collecting layer 220 satisfies the formula: At/Bt≦1.025. At is the total number of moles of the elements (La, Sr) located at the A site of the LSCF contained in the current collecting layer 220, and Bt is the number of moles of the elements (Co, Fe) located at the B site of the LSCF. It is the total number of moles.

Ａ－４．単セル１１０の製造方法：
本実施形態の単セル１１０の製造方法は、例えば以下の通りである。 A-4. Manufacturing method of single cell 110:
A method for manufacturing the single cell 110 of the present embodiment is, for example, as follows.

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート（ＤＯＰ）と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約１０μｍの電解質層用グリーンシートを得る。また、ＮｉＯの粉末をＮｉ重量に換算して５５質量部となるように秤量し、ＹＳＺの粉末４５質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ２７０μｍの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば１４００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。 (Formation of laminate of electrolyte layer 112 and fuel electrode 116)
A butyral resin, a plasticizer dioctyl phthalate (DOP), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to the YSZ powder and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned by a doctor blade method to obtain a green sheet for an electrolyte layer having a thickness of, for example, about 10 μm. Further, NiO powder is weighed so as to be 55 parts by mass in terms of Ni weight, and mixed with 45 parts by mass of YSZ powder to obtain a mixed powder. A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to this mixed powder, and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned by a doctor blade method to obtain, for example, a 270 μm-thick fuel electrode green sheet. The electrolyte layer green sheet and the fuel electrode green sheet are attached and dried. After that, by firing at, for example, 1400° C., a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 is obtained.

（中間層１８０の形成）
ＧＤＣ粉末にＹＳＺ粉末を添加し、高純度ジルコニア玉石にて６０時間、分散混合を行う。混合後の粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば１２００℃で焼成を行う。これにより、中間層１８０が形成され、中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。 (Formation of intermediate layer 180)
YSZ powder is added to GDC powder, and the mixture is dispersed and mixed with high-purity zirconia cobbles for 60 hours. Polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are added to the mixed powder and mixed to adjust the viscosity to prepare an intermediate layer paste. The obtained intermediate layer paste is applied to the surface of the electrolyte layer 112 in the laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 by screen printing, and fired at 1200° C., for example. Thereby, the intermediate layer 180 is formed, and a laminate of the intermediate layer 180, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 is obtained.

（空気極１１４の形成）
粉砕したＬＳＣＦ粉末と、ＧＤＣ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、分散剤と、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極機能層用ペーストを調製する。この際に混合されるＬＳＣＦ粉末とＧＤＣ粉末との重量比は、例えば１：１である。次に、得られた空気極機能層用ペーストを、上述した中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における中間層１８０の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。 (Formation of air electrode 114)
The pulverized LSCF powder, the GDC powder, the alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, a dispersant, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed to adjust the viscosity to prepare a paste for the air electrode functional layer. to prepare. The weight ratio of the LSCF powder and the GDC powder mixed at this time is, for example, 1:1. Next, the obtained air electrode functional layer paste is applied to the surface of the intermediate layer 180 in the laminate of the intermediate layer 180, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 by screen printing and dried.

また、ＬＳＣＦ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、分散剤と、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合した混合粉末を作製し、粘度を調整して、空気極集電層用ペーストを調製する。次に、得られた空気極集電層用ペーストを、上述した空気極機能層ペーストの上にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。その後、所定の温度（例えば、１０００℃）で所定時間（例えば、３時間）、焼成を行う。焼成により、空気極１１４の機能層２１０および集電層２２０が形成される。この際、形成される機能層２１０および集電層２２０は、「空気極１１４の集電層２２０に含有される上記第１の材料の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される上記第２の材料の平均結晶子サイズと、上記第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件、および上述した数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たしている。なお、このような機能層２１０および集電層２２０を形成することは、下記の「Ａ－５．空気極１１４の機能層２１０および集電層２２０の各特性の調整方法」にて説明する方法により機能層２１０および集電層２２０の各特性を調整することにより実現することができる。以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。なお、機能層２１０に含有される第２の材料として、ＬＳＣＦ以外のペロブスカイト型酸化物を採用する場合や、第３の材料として、希土類元素ドープ酸化セリウムに換えて、または加えて、希土類元素ドープ酸化ジルコニウムを採用する場合や、集電層２２０に含有される第１の材料として、ＬＳＣＦ以外のペロブスカイト型酸化物を採用する場合の製造方法についても基本的には同様である。 Further, a mixed powder is prepared by mixing LSCF powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, a dispersant, and butyl carbitol as an organic solvent, and the viscosity is adjusted to obtain the air electrode current collecting layer. Prepare a paste for Next, the obtained air electrode current collecting layer paste is applied on the air electrode functional layer paste described above by screen printing and dried. After that, firing is performed at a predetermined temperature (eg, 1000° C.) for a predetermined time (eg, 3 hours). The firing forms the functional layer 210 and the current collection layer 220 of the air electrode 114 . At this time, the functional layer 210 and current collecting layer 220 to be formed are such that "the average crystallite size of the first material contained in the current collecting layer 220 of the air electrode 114 is equal to the first material contained in the functional layer 210. larger than both the average crystallite size of the second material and the average crystallite size of the third material" and the above-mentioned formula: At/Bt ≤ 1.025. The formation of such a functional layer 210 and current collecting layer 220 is performed by a method described below in "A-5. Method for Adjusting Characteristics of Functional Layer 210 and Current Collecting Layer 220 of Air Electrode 114". It can be realized by adjusting each characteristic of the functional layer 210 and the current collecting layer 220 according to the above. Through the steps described above, the single cell 110 having the configuration described above is manufactured. Note that when a perovskite-type oxide other than LSCF is used as the second material contained in the functional layer 210, or in place of or in addition to rare earth element-doped cerium oxide as the third material, rare earth element-doped The manufacturing method is basically the same when using zirconium oxide or when using a perovskite oxide other than LSCF as the first material contained in the current collecting layer 220 .

Ａ－５．空気極１１４の機能層２１０および集電層２２０の各特性の調整方法：
上述した空気極１１４の機能層２１０および集電層２２０の各特性は、例えば以下のようにして調整することができる。 A-5. Method for adjusting the properties of the functional layer 210 and current collection layer 220 of the air electrode 114:
Each characteristic of the functional layer 210 and current collecting layer 220 of the air electrode 114 described above can be adjusted, for example, as follows.

形成される集電層２２０に含有される第１の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の結晶子サイズについては、例えば、集電層２２０を作製するための空気極機能層用ペーストを調製する際に、混合される第１の材料の粉末の粉砕条件を調整することにより実現することができる。例えば、粉砕時間を長くするほど、第１の材料の結晶子サイズを小さくすることができる。形成される機能層２１０に含有される第２の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の結晶子サイズについても同様である。また、形成される機能層２１０に含有される第３の材料（例えば、ＧＤＣ）の結晶子サイズについても同様に、混合される第３の材料の粉末の粉砕条件を調整することにより実現することができる。 Regarding the crystallite size of the first material (for example, LSCF) contained in the current collecting layer 220 to be formed, for example, when preparing the air electrode functional layer paste for producing the current collecting layer 220, It can be realized by adjusting the pulverization conditions of the powder of the first material to be mixed. For example, longer milling times can reduce the crystallite size of the first material. The same applies to the crystallite size of the second material (for example, LSCF) contained in the functional layer 210 to be formed. Similarly, the crystallite size of the third material (eg, GDC) contained in the functional layer 210 to be formed can also be realized by adjusting the grinding conditions of the powder of the third material to be mixed. can be done.

また、形成される集電層２２０におけるＡｔ／Ｂｔ、すなわち集電層２２０に含有される第１の材料（例えば、ＬＳＣＦ）のＢサイトに位置する元素のモル数の合計に対する当該第１の材料のＡサイトに位置する元素のモル数の合計の比率については、例えば、Ｂサイトに位置する元素（Ｃｏ、Ｆｅ）の量（モル数）に対するＡサイトに位置する元素（Ｌａ、Ｓｒ）の量（モル数）の比率が大きい第１の材料の粉末を使うほどＡｔ／Ｂｔを高くすることができる。 In addition, At/Bt in the current collecting layer 220 to be formed, that is, the first material contained in the current collecting layer 220 (for example, LSCF) with respect to the total number of moles of elements located at the B site For the ratio of the total number of moles of the elements located at the A site, for example, the amount of the elements (La, Sr) located at the A site to the amount (number of moles) of the elements (Co, Fe) located at the B site At/Bt can be increased by using a powder of the first material having a higher (number of moles) ratio.

Ａ－６．空気極１１４の機能層２１０および集電層２２０の各特性の特定方法：
上述した空気極１１４の機能層２１０および集電層２２の各特性は、例えば以下のようにして特定することができる。 A-6. Method for identifying properties of functional layer 210 and current collection layer 220 of cathode 114:
Each characteristic of the functional layer 210 and current collection layer 22 of the air electrode 114 described above can be specified, for example, as follows.

集電層２２０に含有される第１の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズや、機能層２１０に含有される第２の材料（例えば、ＬＳＣＦ）と第３の材料（例えば、ＧＤＣ）の平均結晶子サイズについては、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分析により特定することができる。なお、平均結晶子サイズの特定方法は、この方法に限られるものではない。例えば、集電層２２０に含有される第１の材料と機能層２１０に含有される第２の材料と第３の材料の平均一次粒径を集束イオンビーム走査電子顕微鏡（ＦＩＢ－ＳＥＭ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて計測し、計測された平均一次粒径の値を平均結晶子サイズに読み替えることにより、第１の材料と第２の材料および第３の材料の平均結晶子サイズの大小関係を特定することもできる。 The average crystallite size of the first material (eg, LSCF) contained in the current collecting layer 220, and the second material (eg, LSCF) and the third material (eg, GDC) contained in the functional layer 210 The average crystallite size of can be specified by X-ray diffraction (XRD) analysis. The method for specifying the average crystallite size is not limited to this method. For example, the average primary particle size of the first material contained in the current collecting layer 220 and the second and third materials contained in the functional layer 210 is measured using a focused ion beam scanning electron microscope (FIB-SEM). Beam Scanning Electron Microscope), and by replacing the measured average primary particle size with the average crystallite size, the average crystallite size of the first material, the second material, and the third material. A size relationship can also be specified.

集電層２２０におけるＡｔ／Ｂｔ、すなわち機能層２１０に含有される第１の材料（例えば、ＬＳＣＦ）のＢサイトに位置する元素のモル数の合計に対する当該第１の材料のＡサイトに位置する元素のモル数の合計の比率については、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ：Ｘ－ｒａｙ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）分析により特定することができる。 At/Bt in the current collecting layer 220, i.e., the number of moles of elements located at the B sites of the first material (for example, LSCF) contained in the functional layer 210. The ratio of the total number of moles of elements can be specified by X-ray Fluorescence (XRF) analysis.

Ａ－７．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、単セル１１０を備えている。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上方（上下方向の一方）側に配置された空気極１１４と、電解質層１１２の下方（上下方向の他方）側に配置された燃料極１１６と、を備えている。空気極１１４は、複数の気孔が形成された集電層２２０と、集電層２２０の下方側に接合され、集電層２２０の気孔率よりも小さい気孔率を有する機能層２１０と、を含んでいる。集電層２２０は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物である第１の材料を含有している。機能層２１０は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物である第２の材料と、希土類元素ドープ酸化セリウムである第３の材料とを含有している。集電層２２０に含有される第１の材料の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料の平均結晶子サイズと、第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい。 A-7. Effect of this embodiment:
As described above, the fuel cell stack 100 of this embodiment includes the single cells 110 . The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode 114 arranged above (one side in the vertical direction) the electrolyte layer 112, and a fuel electrode 116 arranged below (the other side in the vertical direction) the electrolyte layer 112. and have. The air electrode 114 includes a current collecting layer 220 having a plurality of pores, and a functional layer 210 bonded to the lower side of the current collecting layer 220 and having a porosity smaller than that of the current collecting layer 220 . I'm in. The current collecting layer 220 contains a first material that is a perovskite oxide represented by ABO3 . The functional layer 210 contains a second material that is a perovskite oxide represented by ABO 3 and a third material that is a rare earth element-doped cerium oxide. The average crystallite size of the first material contained in the current collecting layer 220 is larger than the average crystallite size of the second material contained in the functional layer 210 or the average crystallite size of the third material contained in the functional layer 210. is also big.

本実施形態の単セル１１０では、上述したように「集電層２２０に含有される第１の材料の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料の平均結晶子サイズと、第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件を満たす。本実施形態の単セル１１０では、当該条件を満たすことにより、第１の材料の平均結晶子サイズが第２の材料の平均結晶子サイズと第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれかと同等である構成と比較して、集電層２２０と機能層２１０との界面付近において、第２の材料および第３の材料が第１の材料の粒子間に入り込みやすい。その結果、第１の材料と、第２の材料および第３の材料との接触面積が向上することにより、集電層２２０と機能層２１０との接合強度が向上する。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、集電層２２０と機能層２１０との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する集電層２２０と機能層２１０との剥離を抑制することができる。 In the single cell 110 of the present embodiment, as described above, "the average crystallite size of the first material contained in the current collection layer 220 is equal to the average crystallite size of the second material contained in the functional layer 210. , and the average crystallite size of the third material”. In the single cell 110 of the present embodiment, by satisfying the condition, the average crystallite size of the first material is equivalent to either the average crystallite size of the second material or the average crystallite size of the third material. , the second material and the third material tend to enter between the particles of the first material in the vicinity of the interface between the current collecting layer 220 and the functional layer 210 . As a result, the contact area between the first material and the second and third materials is improved, thereby improving the bonding strength between the current collecting layer 220 and the functional layer 210 . Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, separation between the current collecting layer 220 and the functional layer 210 due to stress caused by a difference in thermal expansion at the interface between the current collecting layer 220 and the functional layer 210 can be suppressed. can.

また、本実施形態の単セル１１０において、集電層２２０に含有される上記第１の材料として、Ａイオンが希土類元素とアルカリ土類元素との少なくとも一方であり、かつ、Ｂイオンが第４周期遷移元素であるペロブスカイト型酸化物を用いた際には、より効果的に、集電層２２０と機能層２１０との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する集電層２２０と機能層２１０との剥離を抑制することができる。 In the unit cell 110 of the present embodiment, the first material contained in the current collecting layer 220 includes A ions that are at least one of a rare earth element and an alkaline earth element, and B ions that are the fourth material. When the perovskite-type oxide, which is a periodic transition element, is used, the current collecting layer 220 and the functional layer 210 are more effectively separated from each other due to the stress caused by the difference in thermal expansion at the interface between the current collecting layer 220 and the functional layer 210. It is possible to suppress peeling with.

また、本実施形態の単セル１１０において、集電層２２０に含有される上記第１の材料として、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）を用いた際には、より効果的に、集電層２２０と機能層２１０との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する集電層２２０と機能層２１０との剥離を抑制することができる。 Further, in the single cell 110 of the present embodiment, when LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide) is used as the first material contained in the current collecting layer 220, the current collecting layer 220 can be more effectively Separation between the collector layer 220 and the functional layer 210 due to stress caused by a difference in thermal expansion at the interface between the collector layer 220 and the functional layer 210 can be suppressed.

また、本実施形態の燃料電池スタック１００は、集電層２２０の上方側に接合されるインターコネクタ１５０を備えている。集電層２２０に含有される上記第１の材料のＡサイトに位置する元素のモル数の合計をＡｔとし、当該第１の材料のＢサイトに位置する元素のモル数の合計をＢｔとしたときに、数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たしている。 The fuel cell stack 100 of this embodiment also includes an interconnector 150 that is joined to the upper side of the current collecting layer 220 . Let At be the total number of moles of the elements located at the A site of the first material contained in the current collecting layer 220, and Bt be the total number of moles of the elements located at the B site of the first material. Sometimes, the formula: At/Bt≦1.025 is satisfied.

仮にＡｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成においては、集電層２２０とインターコネクタ１５０との界面において熱膨張差により生じる応力により、集電層２２０とインターコネクタ１５０との剥離が生じるおそれがある。 If At/Bt is greater than 1.025, the current collection layer 220 and the interconnector 150 may separate from each other due to the stress generated by the difference in thermal expansion at the interface between the current collection layer 220 and the interconnector 150. be.

これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たすことにより、Ａｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成と比較して、第１の材料の焼結性が向上する。これにより、集電層２２０とインターコネクタ１５０との界面において熱膨張差により生じる応力に対する耐性が向上することにより、集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度が向上する。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、Ａｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成と比較して、集電層２２０とインターコネクタ１５０との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する集電層２２０とインターコネクタ１５０との剥離を抑制することができる。 On the other hand, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, by satisfying the formula: At/Bt≦1.025 as described above, the first The sinterability of the material is improved. As a result, resistance to stress caused by a difference in thermal expansion at the interface between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 is improved, thereby improving the bonding strength between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 . Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, compared to the configuration where At/Bt is greater than 1.025, the stress caused by the difference in thermal expansion at the interface between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 It is possible to suppress separation between the collector layer 220 and the interconnector 150 .

なお、第１の材料の過度の焼結による反応場の減少を抑制する観点から、第１の材料の平均結晶子サイズに対する第２の材料または第３の材料の平均結晶子サイズの割合が９０％以下であることが好ましく、８０％以下であることがより好ましい。また、機能層２１０と集電層２２０との接合強度を確保する観点から、Ａｔ／Ｂｔの値が０．９００以上であることが好ましい。 In addition, from the viewpoint of suppressing the reduction of the reaction field due to excessive sintering of the first material, the ratio of the average crystallite size of the second material or the third material to the average crystallite size of the first material is 90. % or less, more preferably 80% or less. Moreover, from the viewpoint of ensuring the bonding strength between the functional layer 210 and the current collecting layer 220, the value of At/Bt is preferably 0.900 or more.

Ａ－８．性能評価：
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の単セル１１０のサンプルを作製し、当該サンプル（「単セル１１０の電気的性能についての評価」については後述するボタンセル）を用いて性能評価を行った。図７は、性能評価結果を示す説明図である。 A-8. Performance evaluation:
Next, performance evaluation of this embodiment will be described. A plurality of single cell 110 samples having different characteristics were produced, and performance evaluation was performed using the samples ("evaluation of electrical performance of single cell 110" will be described later as a button cell). FIG. 7 is an explanatory diagram showing performance evaluation results.

図７に示すように、本性能評価には、単セル１１０の３個のサンプル（サンプルＳ１～Ｓ３）が用いられた。なお、各サンプル（Ｓ１～Ｓ３）は、いずれも、集電層２２０に含有される材料（主に、第１の材料（ＬＳＣＦ）））の平均粒径が、機能層２１０に含有される材料（主に、第２の材料（ＬＳＣＦ）や第３の材料（ＧＤＣ））の平均粒径よりも大きい。集電層２２０および機能層２１０に含有される材料の平均粒径は、例えば、空気極機能層用ペーストや空気極集電層用ペーストを調製するときに用いる分散剤の種類を変更することで調整することができる。図７の「結晶子サイズの大小関係」は、空気極１１４の集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の結晶子サイズと、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の結晶子サイズおよび第３の材料（ＧＤＣ）の結晶子サイズとの大小関係を意味する。図７の「Ａｔ／Ｂｔ」のＡｔは、上述したように、空気極１１４の集電層２２に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）のＡサイトに位置する元素のモル数の合計であり、Ｂｔは、当該第１の材料のＢサイトに位置する元素のモル数の合計である。各サンプルは、結晶子サイズの大小関係と、Ａｔ／Ｂｔの値とが互いに異なっている。 As shown in FIG. 7, three samples (samples S1 to S3) of the single cell 110 were used for this performance evaluation. In each sample (S1 to S3), the average particle size of the material contained in the current collecting layer 220 (mainly the first material (LSCF)) is the same as the material contained in the functional layer 210. It is larger than the average particle size of (mainly, the second material (LSCF) and the third material (GDC)). The average particle size of the material contained in the current collecting layer 220 and the functional layer 210 can be adjusted by changing the type of dispersant used when preparing the air electrode functional layer paste or the air electrode current collecting layer paste, for example. can be adjusted. The "crystallite size relationship" in FIG. LSCF) and the crystallite size of the third material (GDC). At in “At/Bt” in FIG. 7 is the total number of moles of elements located at the A site of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 22 of the air electrode 114, as described above. , Bt is the total number of moles of the elements located at the B sites of the first material. Each sample has a different crystallite size relationship and an At/Bt value.

（機能層２１０と集電層２２０との接合強度についての評価）
各サンプル（単セル１１０）について、空気極１１４の集電層２２０の表面に粘着テープを貼り、粘着テープを剥がす際の機能層２１０と集電層２２０との剥離の有無を確認した。粘着テープを剥がした後に粘着テープに付着している空気極１１４（集電層２２０）の量（面積）が所定の判定閾値（以下、「第１の判定閾値」という。）以下であったサンプルを「合格（○）」と評価し、粘着テープに付着している空気極１１４の量が第１の判定閾値より多かったサンプルを「不合格（×）」と評価した。なお、第１の判定閾値として、空気極１１４（集電層２２０）の表面のうち、粘着テープが貼られた部分の面積の３０％の値を用いた。その評価結果は、図７の「機能層２１０と集電層２２０との接合強度」欄に示されている通りである。 (Evaluation of bonding strength between functional layer 210 and current collecting layer 220)
For each sample (single cell 110), an adhesive tape was attached to the surface of the current collecting layer 220 of the air electrode 114, and it was confirmed whether or not the functional layer 210 and the current collecting layer 220 were peeled off when the adhesive tape was peeled off. A sample in which the amount (area) of the air electrode 114 (current collection layer 220) adhering to the adhesive tape after the adhesive tape was peeled off was less than or equal to a predetermined determination threshold (hereinafter referred to as "first determination threshold"). was evaluated as "acceptable (○)", and the sample in which the amount of the air electrode 114 adhering to the adhesive tape was greater than the first determination threshold value was evaluated as "failed (x)". As the first determination threshold value, a value of 30% of the area of the portion of the surface of the air electrode 114 (collecting layer 220) to which the adhesive tape was attached was used. The evaluation results are as shown in the column of "joint strength between functional layer 210 and collector layer 220" in FIG.

図７に示すように、サンプルＳ１，Ｓ２では、粘着テープに付着した空気極１１４の量が第１の判定閾値以下であり、「合格」と評価した。これに対し、サンプルＳ３では、粘着テープに付着した空気極１１４の量が第１の判定閾値より多く、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳ１，Ｓ２では、集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい。一方、サンプルＳ３は、集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも小さい。以上の結果から、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」構成においては、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも小さい」構成と比較して粘着テープに付着する空気極１１４の量が少なくなり、ひいては機能層２１０と集電層２２０との接合強度が高い単セル１１０が得られることが確認された。このような結果となった理由は、集電層２２０と機能層２１０との界面付近において、第２の材料および第３の材料が第１の材料の粒子間に入り込みやすい。このような結果となった理由として、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件を満たすことにより、第１の材料と、第２の材料および第３の材料との接触面積が向上したことが考えられる。 As shown in FIG. 7, in samples S1 and S2, the amount of air electrode 114 adhering to the adhesive tape was equal to or less than the first determination threshold, and was evaluated as "acceptable." On the other hand, in sample S3, the amount of air electrode 114 adhering to the adhesive tape was greater than the first determination threshold, and was evaluated as "failed". Here, in samples S1 and S2, the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in current collecting layer 220 is the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in functional layer 210. and the average crystallite size of the third material (GDC). On the other hand, in sample S3, the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is the same as the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. 3 material (GDC) and the average crystallite size. From the above results, "the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is the same as the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. 3, the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collection layer 220 is greater than the average crystallite size of the material (GDC) contained in the functional layer 210. The amount of cathode 114 adhering to the adhesive tape compared to the configuration of It was confirmed that a unit cell 110 having a high bonding strength between the functional layer 210 and the current collecting layer 220 can be obtained. The reason for this result is that the second material and the third material tend to enter between the particles of the first material in the vicinity of the interface between the current collecting layer 220 and the functional layer 210 . The reason for such a result is that "the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. larger than both the crystallite size and the average crystallite size of the third material (GDC)", the contact area between the first material and the second material and the third material is It is possible that it has improved.

（単セル１１０の電気的性能についての評価）
機能層２１０と集電層２２０との接合強度に関連する評価として、単セル１１０の電気的性能についての評価を行った。本評価では、上記の単セル１１０の３個のサンプル（サンプルＳ１～Ｓ３）に換えて、上述した単セル１１０の製造方法に倣って作製した３個のボタンセルが用いられた。各サンプル（ボタンセル）は、結晶子サイズの大小関係およびＡｔ／Ｂｔの値が上記の単セル１１０の各サンプルと同様であるものであり、上下方向視で２５ｍｍの辺を有する四角形をなす燃料極１１６および電解質層１１２を備える積層体の上に、上下方向視で直径１３ｍｍの円形をなす空気極１１４が形成されたものである。下記において、便宜上、上記の単セル１１０のサンプルとＡｔ／Ｂｔの値および結晶子サイズの大小関係が同一であるボタンセルのサンプルを同じ符号を付して呼ぶ（例えばサンプルＳ１）。 (Evaluation of electrical performance of single cell 110)
As an evaluation related to the bonding strength between the functional layer 210 and the collector layer 220, the electrical performance of the single cell 110 was evaluated. In this evaluation, instead of the three samples (Samples S1 to S3) of the single cell 110, three button cells manufactured according to the manufacturing method of the single cell 110 described above were used. Each sample (button cell) has the same crystallite size relationship and At/Bt value as those of the above-described single cell 110 samples, and has a square shape with sides of 25 mm when viewed from the top and bottom. An air electrode 114 having a circular shape with a diameter of 13 mm when viewed from the top and bottom is formed on the laminate including the electrode 116 and the electrolyte layer 112 . In the following, for the sake of convenience, button cell samples having the same At/Bt value and crystallite size as those of the single cell 110 sample are referred to by the same reference numerals (eg, sample S1).

各サンプル（ボタンセル）について、約７００（℃）で空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ２のときの単セル１１０の出力電圧を測定し、その測定値が所定の判定閾値（以下、「第２の判定閾値」という。）以上であったサンプルを「合格（○）」と評価し、その測定値が第２の判定閾値より低かったサンプルを「不合格（×）」と評価した。なお、本性能評価では、サンプルＳ１についての測定値を第２の判定閾値とした。その評価結果は、図７の「単セル１１０の電気的性能」欄に示されている通りである。 For each sample (button cell), the oxidant gas OG was supplied to the air electrode 114 at about 700 (° C.), the fuel gas FG was supplied to the fuel electrode 116, and the current density was 0.55 A/cm 2 . The output voltage of the cell 110 is measured, and a sample whose measured value is equal to or higher than a predetermined determination threshold value (hereinafter referred to as “second determination threshold value”) is evaluated as “accepted (○)”, and the measured value is Samples that were lower than the second determination threshold were evaluated as "failed (x)". In addition, in this performance evaluation, the measured value of the sample S1 was used as the second determination threshold. The evaluation results are as shown in the column "Electrical Performance of Single Cell 110" in FIG.

図７に示すように、サンプルＳ１，Ｓ２では、測定値（単セル１１０の出力電圧）が第２の判定閾値以上であり、「合格」と評価した。これに対し、サンプルＳ３では、測定値が第２の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳ１，Ｓ２では、集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい。一方、サンプルＳ３では、集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも小さい。以上の結果から、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」構成においては、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも小さい」構成と比較して機能層２１０と集電層２２０との接合強度が高くなり、ひいては単セル１１０の電気的性能が高い単セル１１０が得られることが確認された。このような結果となった理由として、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件を満たすことにより、第１の材料と、第２の材料および第３の材料との接触面積が向上し、これにより機能層２１０と集電層２２０との接合強度が向上したことが考えられる。 As shown in FIG. 7, in samples S1 and S2, the measured value (the output voltage of the single cell 110) was equal to or greater than the second determination threshold, and was evaluated as "acceptable." On the other hand, in sample S3, the measured value was lower than the second determination threshold value and was evaluated as "failed". Here, in samples S1 and S2, the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in current collecting layer 220 is the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in functional layer 210. and the average crystallite size of the third material (GDC). On the other hand, in sample S3, the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is the same as the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. 3 material (GDC) and the average crystallite size. From the above results, "the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is the same as the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. 3, the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collection layer 220 is greater than the average crystallite size of the material (GDC) contained in the functional layer 210. The average crystallite size of the second material (LSCF) and the average crystallite size of the third material (GDC) are both smaller than that of the functional layer 210 and the current collection layer 220 compared to the configuration It was confirmed that the unit cell 110 with high bonding strength and thus high electrical performance of the unit cell 110 can be obtained. The reason for this result is that "the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. larger than both the crystallite size and the average crystallite size of the third material (GDC)", the contact area between the first material and the second material and the third material is It is considered that the bonding strength between the functional layer 210 and the current collecting layer 220 is improved due to this.

（集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度）
本評価では、上記の単セル１１０の３個のサンプル（サンプルＳ１～Ｓ３）に換えて、各サンプル（単セル１１０）にインターコネクタ１５０を接合させた複合部材（以下、単に「複合部材」という。）が用いられた。下記において、便宜上、上記の単セル１１０のサンプルとＡｔ／Ｂｔの値および結晶子サイズの大小関係が同一である上記複合部材のサンプルを同じ符号を付して呼ぶ（例えばサンプルＳ１）。 (Joint strength between collector layer 220 and interconnector 150)
In this evaluation, instead of the above three samples (samples S1 to S3) of the single cell 110, a composite member (hereinafter simply referred to as a "composite member") in which an interconnector 150 was joined to each sample (single cell 110) was used. ) was used. Hereinafter, for the sake of convenience, the sample of the composite member having the same At/Bt value and the same crystallite size as the sample of the single cell 110 is denoted by the same reference numeral (eg, sample S1).

各サンプル（複合部材）について、単セル１１０とインターコネクタ１５０とのそれぞれに治具を取り付け、当該治具を介して、単セル１１０とインターコネクタ１５０とを引き離す方向（第１の方向の両方向）に、大きさを変化させながら力をかけた。そして、集電層２２０とインターコネクタ１５０との剥離が生じたときの力の大きさを測定し、その測定値が所定の判定閾値（以下、「第３の判定閾値」という。）以上であったサンプルを「合格（○）」と評価し、その測定値が第３の判定閾値より低かったサンプルを「不合格（×）」と評価した。なお、本性能評価では、サンプルＳ１についての測定値を第３の判定閾値とした。 For each sample (composite member), a jig is attached to each of the single cell 110 and the interconnector 150, and a direction (both directions of the first direction) in which the single cell 110 and the interconnector 150 are pulled apart via the jig. was applied with varying magnitudes. Then, the magnitude of the force when the collector layer 220 and the interconnector 150 are peeled off is measured, and if the measured value is equal to or greater than a predetermined determination threshold (hereinafter referred to as “third determination threshold”), The samples with the measured values lower than the third judgment threshold were evaluated as "failed (x)". In addition, in this performance evaluation, the measured value of the sample S1 was used as the third determination threshold.

図７に示すように、サンプルＳ１，Ｓ３では、測定値（集電層２２０とインターコネクタ１５０との剥離が生じたときの力の大きさ）が第３の判定閾値以上であり、「合格」と評価した。これに対し、サンプルＳ２では、測定値が第３の判定閾値より低くなり、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳ１，Ｓ３では、Ａｔ／Ｂｔの値が１．０２５以下である。一方、サンプルＳ２は、Ａｔ／Ｂｔの値が１．０２５より大きい。以上の結果から、Ａｔ／Ｂｔの値が１．０２５以下である構成においては、Ａｔ／Ｂｔの値が１．０２５より大きい構成と比較して集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度が高い構成が得られることが確認された。このような結果となった理由として、数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たすことにより、第１の材料の焼結性が向上し、これにより集電層２２０とインターコネクタ１５０との界面において熱膨張差により生じる応力に対する耐性が向上したことが考えられる。 As shown in FIG. 7, in samples S1 and S3, the measured value (magnitude of force when peeling occurs between collector layer 220 and interconnector 150) is greater than or equal to the third determination threshold, and is "passed". and evaluated. On the other hand, in sample S2, the measured value was lower than the third determination threshold, and was evaluated as "failed". Here, in samples S1 and S3, the value of At/Bt is 1.025 or less. On the other hand, sample S2 has a value of At/Bt greater than 1.025. From the above results, in the configuration in which the value of At/Bt is 1.025 or less, the bonding strength between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 is higher than in the configuration in which the value of At/Bt is greater than 1.025. It was confirmed that a high configuration can be obtained. The reason for this result is that by satisfying the formula: At/Bt ≤ 1.025, the sinterability of the first material is improved, and as a result, at the interface between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 It is conceivable that the resistance to stress caused by the difference in thermal expansion was improved.

（総合評価）
総合評価としては、機能層２１０と集電層２２０との接合強度についての評価と、単セル１１０の電気的性能についての評価についての評価との両方が「合格」であれば、「合格（〇，◎）」であり、これらのうち少なくとも１つが「不合格」であれば、「不合格（×）」と評価した。総合評価が「合格」であり、かつ、集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度が「合格」であれば、「特に良い（◎）」と評価した。総合評価が「合格」であり、かつ、集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度が「不合格」であれば、「良い（〇）」と判断した。 (comprehensive evaluation)
As a comprehensive evaluation, if both the evaluation of the bonding strength between the functional layer 210 and the current collecting layer 220 and the evaluation of the electrical performance of the single cell 110 are “passed”, then “passed (○ , ⊚)”, and if at least one of them was “failed”, it was evaluated as “failed (x)”. If the comprehensive evaluation was "acceptable" and the bonding strength between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 was "acceptable," it was evaluated as "particularly good (⊚)". If the comprehensive evaluation was "acceptable" and the bonding strength between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 was "unacceptable", it was judged to be "good (o)".

従って、機能層２１０と集電層２２０との接合強度についての評価と、単セル１１０の電気的性能についての評価との両方が「合格」であったサンプルＳ１，Ｓ２については、「合格」と評価し、その他のサンプルＳ３については、「不合格」と評価した。サンプルＳ１については、集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度が「合格」であったため、「特に良い（◎）」と評価した。サンプルＳ２については、集電層２２０とインターコネクタ１５０との接合強度が「不合格」であったため、「良い（〇）」と評価した。 Therefore, the samples S1 and S2 for which both the evaluation of the bonding strength between the functional layer 210 and the current collecting layer 220 and the evaluation of the electrical performance of the single cell 110 were "passed" were "passed." The other sample S3 was evaluated as "failed". Sample S1 was evaluated as "particularly good (⊚)" because the bonding strength between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 was "acceptable". Sample S2 was evaluated as "good (◯)" because the bonding strength between the current collecting layer 220 and the interconnector 150 was "failed".

以上の評価により、「集電層２２０に含有される第１の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズは、機能層２１０に含有される第２の材料（ＬＳＣＦ）の平均結晶子サイズと、第３の材料（ＧＤＣ）の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい」という条件を満たす単セル１１０の構成が優れた効果を奏することが確認された。 According to the above evaluation, "the average crystallite size of the first material (LSCF) contained in the current collecting layer 220 is equal to the average crystallite size of the second material (LSCF) contained in the functional layer 210. It was confirmed that the configuration of the single cell 110 that satisfies the condition "larger than the average crystallite size of the material (GDC) of No. 3" produces an excellent effect.

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. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態における単セル１１０または燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、空気極１１４は、機能層２１０と集電層２２０との二層構成であるとしているが、空気極１１４が機能層２１０および集電層２２０以外の他の層を含むとしてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。 The configuration of the single cell 110 or the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the air electrode 114 has a two-layer structure of the functional layer 210 and the current collecting layer 220, but the air electrode 114 includes layers other than the functional layer 210 and the current collecting layer 220. may be In the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of single cells 110 is appropriately determined according to the required output voltage of the fuel cell stack 100 and the like.

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。例えば、上記実施形態において、空気極１１４（機能層２１０および集電層２２０）が上述したペロブスカイト型酸化物以外のペロブスカイト型酸化物をさらに含んでいてもよい。 In addition, the materials forming each member in the above-described embodiment are merely examples, and each member may be formed of another material. For example, in the above embodiment, the air electrode 114 (the functional layer 210 and the current collecting layer 220) may further contain perovskite oxides other than the perovskite oxides described above.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００は、インターコネクタ１５０に換えて、または加えて、インターコネクタ１５０以外の部材（以下、「接合部材」という。）が空気極１１４の集電層２２０の上方側に接合されている構成であってもよい。この構成においては、上述した数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たすことにより、集電層２２０と接合部材との界面において熱膨張差により生じる応力に起因する集電層２２０と接合部材との剥離を抑制することができる。 Further, in the above-described embodiment, the fuel cell stack 100 uses a member other than the interconnector 150 (hereinafter referred to as a "joining member") instead of or in addition to the interconnector 150 for the current collecting layer 220 of the air electrode 114. It may be configured to be joined on the upper side. In this configuration, by satisfying the above-described formula: At/Bt≦1.025, the stress generated by the difference in thermal expansion at the interface between the current collecting layer 220 and the bonding member causes stress between the current collecting layer 220 and the bonding member. Peeling can be suppressed.

また、上記実施形態において、Ａｔ／Ｂｔが１．０２５よりも大きい構成としてもよい。 Further, in the above embodiment, At/Bt may be configured to be larger than 1.025.

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

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本明細書に開示される技術は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解単セルおよび電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の空気極１１４の機能層２１０の構成を採用すれば、機能層２１０と集電層２２０（または、上記接合部材）との剥離を抑制することができ、かつ、電解単セルの電気的性能を向上させることができるという効果を奏する。 Further, in the above embodiments, SOFCs that generate electricity by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas are targeted, but the technology disclosed in the present specification includes: It can also be applied to an electrolytic single cell, which is a structural unit of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water, and an electrolytic cell stack comprising a plurality of electrolytic single cells. be. The configuration of the electrolysis cell stack is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, so it will not be described in detail here. Configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment can be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 can be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 can be read as an electrolytic single cell. However, during the operation of the electrolysis cell stack, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode). Water vapor is supplied as a source gas. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176 , and the hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole 108 . Even in the electrolytic single cell and the electrolytic cell stack having such a configuration, if the same configuration of the functional layer 210 of the air electrode 114 as in the above embodiment is adopted, the functional layer 210 and the current collecting layer 220 (or the above-described joining member) It is possible to suppress the peeling from the electrode and to improve the electrical performance of the electrolytic single cell.

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、本明細書に開示される技術は、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。 Further, in the above embodiments, a solid oxide fuel cell (SOFC) was described as an example, but the technology disclosed in this specification can be applied to other types of fuel cells (such as a molten carbonate fuel cell (MCFC)). or electrolytic cell).

２２：ボルト ２２Ａ：ボルト ２２Ｂ：ボルト ２２Ｄ：ボルト ２２Ｅ：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：中間層 ２１０：機能層 ２２０：集電層 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス 22: Bolt 22A: Bolt 22B: Bolt 22D: Bolt 22E: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 124: Joint 130: Air electrode side frame 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134 : air electrode side current collector 140: fuel electrode side frame 142: fuel gas supply communication hole 143: fuel gas discharge communication hole 144: fuel electrode side current collector 145: electrode facing portion 146: interconnector facing portion 147: connecting portion 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 210: Functional layer 220 : Current collection layer FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant off-gas

Claims (4)

電解質層と、
前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極であって、複数の気孔が形成された第１の空気極層と、前記第１の空気極層の前記第１の方向の他方側に接合され、前記第１の空気極層の気孔率よりも小さい気孔率を有する第２の空気極層と、を含み、前記第１の空気極層は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物である第１の材料を含有し、前記第２の空気極層は、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物である第２の材料と、希土類元素ドープ酸化セリウムと希土類元素ドープ酸化ジルコニウムとの少なくとも一方である第３の材料とを含有する空気極と、
前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極と、
を備える電気化学反応単セルであって、
前記第１の空気極層に含有される前記第１の材料の平均結晶子サイズは、前記第２の空気極層に含有される前記第２の材料の平均結晶子サイズと、前記第３の材料の平均結晶子サイズとのいずれよりも大きい、
ことを特徴とする、電気化学反応単セル。 an electrolyte layer;
An air electrode disposed on one side of the electrolyte layer in the first direction, the first air electrode layer having a plurality of pores formed therein; a second cathode layer bonded to the other side and having a porosity less than that of said first cathode layer, said first cathode layer being a perovskite represented by ABO3 . The second cathode layer comprises a first material that is a perovskite-type oxide represented by ABO3, a second material that is a perovskite-type oxide represented by ABO3 , a rare-earth-doped cerium oxide, and a rare-earth-doped oxide. a cathode containing a third material that is at least one of zirconium;
a fuel electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction;
An electrochemical reaction single cell comprising
The average crystallite size of the first material contained in the first air electrode layer is the average crystallite size of the second material contained in the second air electrode layer, and the average crystallite size of the third material contained in the second air electrode layer. larger than the average crystallite size of the material and
An electrochemical reaction single cell characterized by: 請求項１に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第１の材料は、Ａイオンが希土類元素とアルカリ土類元素との少なくとも一方であり、かつ、Ｂイオンが第４周期遷移元素である前記ペロブスカイト型酸化物である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The first material is the perovskite-type oxide in which the A ion is at least one of a rare earth element and an alkaline earth element, and the B ion is a fourth period transition element.
An electrochemical reaction single cell characterized by: 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第１の材料は、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 1 or claim 2,
wherein the first material is lanthanum strontium cobalt iron oxide;
An electrochemical reaction single cell characterized by: 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルと、前記第１の空気極層の前記第１の方向の一方側に接合される他の部材と、を備える電気化学反応セルスタックであって、
前記第１の空気極層に含有される前記第１の材料のＡサイトに位置する元素のモル数の合計をＡｔとし、当該第１の材料のＢサイトに位置する元素のモル数の合計をＢｔとしたときに、数式：Ａｔ／Ｂｔ≦１．０２５を満たしている、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction unit cell according to any one of claims 1 to 3, and another member joined to one side of the first air electrode layer in the first direction. An electrochemical reaction cell stack,
Let At be the total number of moles of the elements located at the A site of the first material contained in the first air electrode layer, and let At be the total number of moles of the elements located at the B site of the first material. where Bt satisfies the formula: At/Bt ≤ 1.025,
An electrochemical reaction cell stack characterized by:
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