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JP2017154968A - Joint material precursor, electrochemical reaction cell stack, and their production methods - Google Patents

Joint material precursor, electrochemical reaction cell stack, and their production methods Download PDF

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JP2017154968A JP2017076388A JP2017076388A JP2017154968A JP 2017154968 A JP2017154968 A JP 2017154968A JP 2017076388 A JP2017076388 A JP 2017076388A JP 2017076388 A JP2017076388 A JP 2017076388A JP 2017154968 A JP2017154968 A JP 2017154968A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the conductivity of a joint material obtainable by the firing of a joint material precursor.SOLUTION: A conductive joint material joining the first conductive member and the second conductive member being a fired compact containing spinel type transition metal composite oxide including the first metallic element and the second metallic element. The joint material precursor in a state before the firing of the joint material includes: organic matter; and a plurality of the respective first particles having a metallic oxide part composed of the oxide of the first metallic element and a metallic part composed of the second metallic element.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本明細書によって開示される技術は、接合材前駆体に関する。   The technology disclosed by the present specification relates to a bonding material precursor.

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種類の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)が知られている。SOFCの発電の最小単位である燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」ともいう)は、固体酸化物を含む電解質層と電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む燃料電池単セル(以下、単に「単セル」ともいう)と、単セルで発生した電力を集めるために単セルの空気極側に配置された導電性の集電部材とを備える。空気極と集電部材とが導電性の接合材によって接合されることにより、空気極と集電部材とが電気的に接続される。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell power generation unit (hereinafter also simply referred to as “power generation unit”), which is the minimum unit of SOFC power generation, is a fuel including an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other across the electrolyte layer. A single battery cell (hereinafter, also simply referred to as “single cell”) and a conductive current collecting member disposed on the air electrode side of the single cell in order to collect electric power generated in the single cell. The air electrode and the current collecting member are joined together by a conductive joining material, whereby the air electrode and the current collecting member are electrically connected.

空気極と集電部材とを接合する接合材としては、例えば、第1の金属元素(例えばMn)と第2の金属元素(例えばCo)とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物(例えばMnCo)を含む焼成体が用いられる(例えば特許文献1参照)。そのような接合材の焼成前の状態である接合材前駆体が、空気極と集電部材との間に配置された状態で焼成されることにより、接合材が形成される。スピネル型の遷移金属複合酸化物は高い導電性を有するため、形成された接合材も高い導電性を有することとなる。 As a bonding material for bonding the air electrode and the current collecting member, for example, a spinel-type transition metal composite oxide (for example, MnCo) having a first metal element (for example, Mn) and a second metal element (for example, Co) is used. A fired body containing 2 O 4 ) is used (see, for example, Patent Document 1). The bonding material is formed by firing the bonding material precursor in a state before firing of the bonding material in a state of being disposed between the air electrode and the current collecting member. Since the spinel-type transition metal composite oxide has high conductivity, the formed bonding material also has high conductivity.

従来、接合材前駆体の原料として、バインダとしての有機物に加え、例えば、第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物粒子(例えばMnOの粒子)と第2の金属元素により構成された金属粒子(例えばCoの粒子)との混合粉末が用いられたり、スピネル型の遷移金属複合酸化物自体の粉末が用いられたりしている。   Conventionally, as a raw material for a bonding material precursor, in addition to an organic substance as a binder, for example, a metal oxide particle (for example, MnO particle) composed of an oxide of a first metal element and a second metal element are used. A mixed powder with metal particles (for example, Co particles) or a powder of a spinel type transition metal composite oxide itself is used.

特開2007−141842号公報JP 2007-141842 A

第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物は、原料に含まれる第1の金属元素と第2の金属元素とが相互拡散することにより形成される。上記従来技術のように、接合材前駆体の原料として第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物粒子と第2の金属元素により構成された金属粒子との混合粉末が用いられると、接合材前駆体内に、第1の金属元素が偏って配置された箇所や第2の金属元素が偏って配置された箇所が存在することとなる。そのため、焼成の際に、接合材前駆体内におけるそのような配置の偏りが大きい箇所で、第1の金属元素と第2の金属元素との相互拡散が起きにくくなり、比較的導電性の低い単一金属元素の酸化物(例えばMnやCo)が生成されやすくなる。そのため、焼成によって得られる接合材の導電性が低くなる。 A spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element is formed by mutual diffusion of the first metal element and the second metal element contained in the raw material. When a mixed powder of metal oxide particles composed of an oxide of a first metal element and metal particles composed of a second metal element is used as a raw material for a bonding material precursor as in the above-described conventional technology In the bonding material precursor, there are places where the first metal elements are arranged unevenly and places where the second metal elements are arranged unevenly. For this reason, during firing, mutual diffusion between the first metal element and the second metal element is less likely to occur at locations where such a disposition in the bonding material precursor is large, and the single conductivity is relatively low. An oxide of one metal element (for example, Mn 3 O 4 or Co 3 O 4 ) is easily generated. Therefore, the conductivity of the bonding material obtained by firing is lowered.

また、上記従来技術のように、接合材前駆体の原料としてスピネル型の遷移金属複合酸化物自体の粉末が用いられる場合には、スピネル型の遷移金属複合酸化物は高温でも安定して存在する酸化物であることから、焼成の際に、第1の金属元素と第2の金属元素との相互拡散が起きにくい。その結果、接合材内で導電パスとなる粒子間の接触部の面積が小さくなり、やはり、焼成によって得られる接合材の導電性が低くなる。   In addition, when the powder of the spinel-type transition metal composite oxide itself is used as a raw material for the bonding material precursor as in the above-described prior art, the spinel-type transition metal composite oxide exists stably even at high temperatures. Since it is an oxide, interdiffusion between the first metal element and the second metal element hardly occurs during firing. As a result, the area of the contact portion between the particles that become a conductive path in the bonding material is reduced, and the conductivity of the bonding material obtained by firing is also lowered.

なお、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」ともいう)の最小単位である電解セル単位に含まれる空気極と集電部材とを接合する接合材の焼成前の状態である接合材前駆体にも共通の課題である。なお、本明細書では、発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼ぶ。さらに、このような問題は、電気化学反応単位を構成する2つの部材に限られず、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを接合する接合材の焼成前の状態である接合材前駆体に共通の課題である。   Note that such a problem is that air contained in an electrolytic cell unit, which is the minimum unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter also referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. This is also a common problem for the bonding material precursor that is in a state before firing of the bonding material for bonding the electrode and the current collecting member. In this specification, the power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. Furthermore, such a problem is not limited to the two members constituting the electrochemical reaction unit, but is a bonding material in a state before firing of the bonding material for bonding the first conductive member and the second conductive member. This is a problem common to precursors.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

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

(1)本明細書に開示される接合材前駆体は、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを接合する導電性の接合材の焼成前の状態である接合材前駆体であって、有機物と、前記第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物部分と前記第2の金属元素により構成された金属部分とをそれぞれ有する複数の第1の粒子と、を備える。本接合材前駆体によれば、接合材前駆体内において、金属酸化物部分および金属部分のそれぞれの配置の偏りが小さくなり、金属酸化物部分と金属部分とが接する箇所が多くなり、焼成の際に、金属酸化物部分に含まれる第1の金属元素と金属部分に含まれる第2の金属元素との相互拡散が起こりやすく、短い時間で相互拡散が完了し、均一なスピネル型の遷移金属複合酸化物を多数含む接合材が形成され、接合材の導電性を高くすることができる。 (1) A bonding material precursor disclosed in this specification is a fired body including a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element, and has a first conductivity. A metal precursor composed of an organic substance and an oxide of the first metal element, which is a pre-baking state of a conductive bonding material for bonding a member and a second conductive member A plurality of first particles each having a physical part and a metal part composed of the second metal element. According to the present bonding material precursor, the deviation of the arrangement of the metal oxide portion and the metal portion in the bonding material precursor is reduced, and the number of places where the metal oxide portion and the metal portion are in contact increases, In addition, the first metal element contained in the metal oxide portion and the second metal element contained in the metal portion are likely to be interdiffused, and the interdiffusion is completed in a short time. A bonding material containing a large number of oxides is formed, and the conductivity of the bonding material can be increased.

(2)上記接合材前駆体において、各前記第1の粒子は、複数の前記金属酸化物部分と複数の前記金属部分とを有する構成としてもよい。本接合材前駆体によれば、接合材前駆体内において、金属酸化物部分と金属部分とが接する箇所がより多くなり、焼成の際に、金属酸化物部分に含まれる第1の金属元素と金属部分に含まれる第2の金属元素との相互拡散がより起こりやすく、均一なスピネル型の遷移金属複合酸化物をより多く含む接合材が形成されるため、接合材の導電性をより高くすることができる。 (2) In the bonding material precursor, each of the first particles may include a plurality of the metal oxide portions and a plurality of the metal portions. According to the present bonding material precursor, there are more portions where the metal oxide portion and the metal portion are in contact with each other in the bonding material precursor, and the first metal element and the metal contained in the metal oxide portion during firing. Interdiffusion with the second metal element contained in the portion is more likely to occur, and a bonding material containing more uniform spinel-type transition metal composite oxide is formed, so that the conductivity of the bonding material is made higher. Can do.

(3)上記接合材前駆体において、前記第1の粒子の数は、前記金属酸化物部分のみから構成された金属酸化物粒子と前記金属部分のみから構成された金属粒子との少なくとも一方である他の粒子の数より多い構成としてもよい。本接合材前駆体によれば、接合材前駆体中の第1の粒子の数が他の粒子の数より多いため、接合材前駆体中の第1の粒子の数が他の粒子の数より少ない構成と比較して、金属酸化物部分と金属部分とが接する箇所がより多くなり、焼成の際に、第1の金属元素と第2の金属元素との相互拡散がより起こりやすく、均一なスピネル型の遷移金属複合酸化物をより多く含む接合材が形成されるため、接合材の導電性をより高くすることができる。 (3) In the bonding material precursor, the number of the first particles is at least one of metal oxide particles composed only of the metal oxide portion and metal particles composed only of the metal portion. It is good also as a structure larger than the number of other particle | grains. According to the present bonding material precursor, since the number of the first particles in the bonding material precursor is larger than the number of the other particles, the number of the first particles in the bonding material precursor is larger than the number of the other particles. Compared to a small configuration, there are more portions where the metal oxide portion and the metal portion are in contact with each other, and during the firing, mutual diffusion between the first metal element and the second metal element is more likely to occur, and uniform. Since a bonding material containing more spinel-type transition metal composite oxide is formed, the conductivity of the bonding material can be further increased.

(4)上記接合材前駆体において、前記第1の金属元素は、Mnであり、前記第2の金属元素は、CoとCuとZnとのいずれかである構成としてもよい。このような、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物は導電性が比較的高いため、この接合材前駆体によれば、接合材前駆体の焼成によって得られる接合材の導電性を極めて高くすることができる。 (4) In the bonding material precursor, the first metal element may be Mn, and the second metal element may be any one of Co, Cu, and Zn. Since such a spinel type transition metal composite oxide having the first metal element and the second metal element has a relatively high conductivity, the bonding material precursor is fired according to this bonding material precursor. Thus, the conductivity of the bonding material obtained can be made extremely high.

(5)上記接合材前駆体において、前記第1の導電性部材は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおける前記空気極である構成としてもよい。本接合材前駆体によれば、接合材の導電性を高くすることによって、電気化学反応単セルにおける空気極と第2の導電性部材との間の導電性を向上させることができる。 (5) In the bonding material precursor, the first conductive member includes an electrolyte layer including a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween. It is good also as a structure which is the said air electrode in a cell. According to the present bonding material precursor, the conductivity between the air electrode and the second conductive member in the electrochemical reaction unit cell can be improved by increasing the conductivity of the bonding material.

(6)上記接合材前駆体において、前記第2の導電性部材は、前記電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極の側に配置された集電部材と、を備える電気化学反応単位における前記集電部材である構成としてもよい。本接合材前駆体によれば、接合材の導電性を高くすることによって、電気化学反応単位における空気極と集電部材との間の導電性を向上させることができる。 (6) In the bonding material precursor, the second conductive member includes the electrochemical reaction single cell and a current collecting member disposed on the air electrode side of the electrochemical reaction single cell. It is good also as a structure which is the said current collection member in an electrochemical reaction unit. According to the present bonding material precursor, the conductivity between the air electrode and the current collecting member in the electrochemical reaction unit can be improved by increasing the conductivity of the bonding material.

(7)本明細書に開示される接合材前駆体の製造方法は、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを接合する導電性の接合材の焼成前の状態である接合材前駆体の製造方法であって、前記第1の金属元素と前記第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を還元処理することにより原料粉末を作製する工程と、前記原料粉末と有機物とを混合して前記接合材前駆体を作製する工程と、を備える。本接合材前駆体の製造方法によれば、原料粉末に含まれる複数の粒子の大半を、第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物部分と第2の金属元素により構成された金属部分とを有する第1の粒子とすることができるため、製造された接合材前駆体の焼成によって得られる接合材の導電性を高くすることができる。 (7) The method for manufacturing a bonding material precursor disclosed in the present specification is a fired body including a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element. A method for producing a bonding material precursor in a state before firing of a conductive bonding material for bonding the conductive member and the second conductive member, wherein the first metal element and the second metal A step of producing a raw material powder by reducing a spinel-type transition metal composite oxide containing an element, and a step of producing the bonding material precursor by mixing the raw material powder and an organic substance. According to the manufacturing method of the present bonding material precursor, most of the plurality of particles contained in the raw material powder are composed of the metal oxide portion composed of the oxide of the first metal element and the second metal element. Since it can be set as the 1st particle | grains which have a metal part, the electroconductivity of the joining material obtained by baking of the manufactured joining material precursor can be made high.

(8)上記接合材前駆体の製造方法において、前記第1の金属元素は、Mnであり、前記第2の金属元素は、CoとCuとZnとのいずれかである構成としてもよい。このような、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物は導電性が比較的高いため、この接合材前駆体の製造方法によれば、製造された接合材前駆体の焼成によって得られる接合材の導電性を極めて高くすることができる。 (8) In the manufacturing method of the bonding material precursor, the first metal element may be Mn, and the second metal element may be any one of Co, Cu, and Zn. Since such a spinel type transition metal composite oxide having the first metal element and the second metal element has a relatively high conductivity, it is manufactured according to the method for manufacturing the bonding material precursor. The conductivity of the bonding material obtained by firing the bonding material precursor can be made extremely high.

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、接合材前駆体、接合材前駆体により形成された接合材により接合された空気極および集電部材を備える電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, a bonding material precursor, an air electrode bonded by a bonding material formed by the bonding material precursor, and a current collector. Realized in the form of an electrochemical reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit) including members, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) including a plurality of electrochemical reaction units, and a manufacturing method thereof Is possible.

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る。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment. 図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 1. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel cell stack 100 in the present embodiment. 本実施形態における接合層138の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the joining layer 138 in this embodiment. 接合層138の性能評価の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of the performance evaluation of the joining layer 138. 比較例における接合層138の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the joining layer 138 in a comparative example.

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. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position of III-III in FIG. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. It may be installed. The same applies to FIG.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。   The 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 the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below.

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

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

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

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。   Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located at the position and the communication hole 108 into which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated for each power generation. Bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located in the vicinity of the midpoint of the opposite side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). The space formed by the (bolt 22E) and the communication hole 108 into which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack 1 that uses the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 as the fuel cell stack 1 Functions as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the 0. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

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

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

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

図4および図5に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 that is the minimum unit of power generation includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, and a fuel electrode side frame. 140, a fuel electrode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. A hole corresponding to the above-described communication hole 108 into which the bolt 22 is inserted is formed in the peripheral portion around the Z direction in the separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150.

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等のCr(クロム)を含む金属により形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。   The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of a metal containing Cr (chromium) such as ferritic stainless steel, for example. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes the pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。   The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.

電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。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。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。   The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member. For example, YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide It is formed with solid oxides such as. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). Has been. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-like member, and is formed of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles, Ni-based alloy, or the like. Thus, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。   The separator 120 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed. The single cell 110 to which the separator 120 is bonded is also referred to as a single cell with a separator.

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

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

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 disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or a nickel alloy It is made of stainless steel or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact. However, as described above, since the lowermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144. The electrical connection with is maintained well.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレス等のCr(クロム)を含む金属により形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。本実施形態における空気極側集電体134、または空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、特許請求の範囲における集電部材に相当する。   The air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135, and is formed of, for example, a metal containing Cr (chromium) such as ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 includes the upper end plate. 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate-shaped portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integral member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude toward the air electrode 114 from the flat plate-shaped portion. The plurality of current collector elements 135 function as the air electrode side current collector 134. The air electrode side current collector 134 or the integrated member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 corresponds to the current collection member in the claims.

図4および図5に示すように、空気極側集電体134の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、例えば、スピネル型酸化物(例えば、MnCo、ZnMn、CuMn等)により形成されている。空気極側集電体134の表面へのコート136の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されているため、実際には、空気極側集電体134の表面の内、インターコネクタ150との境界面はコート136により覆われていない一方、インターコネクタ150の表面の内、少なくとも酸化剤ガスの流路に面する表面(すなわち、インターコネクタ150における空気極114側の表面や酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162を構成する連通孔108に面した表面等)はコート136により覆われている。また、空気極側集電体134に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート136は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体134を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(または集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(または集電体要素135)」を意味する。 As shown in FIGS. 4 and 5, the surface of the air electrode side current collector 134 is covered with a conductive coat 136. The coat 136 is made of, for example, a spinel oxide (for example, MnCo 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , CuMn 2 O 4, etc.). The coating 136 is formed on the surface of the air electrode side current collector 134 by a known method such as spray coating, ink jet printing, spin coating, dip coating, plating, sputtering, or thermal spraying. As described above, in the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. While the interface with the interconnector 150 is not covered with the coat 136, the surface of the interconnector 150 facing at least the flow path of the oxidant gas (that is, the surface on the air electrode 114 side of the interconnector 150) And the surface facing the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold 162) are covered with a coat 136. In addition, a chromium oxide film may be formed by heat treatment on the air electrode side current collector 134. In this case, the coat 136 is not the film but the air electrode side current collector 134 on which the film is formed. It is the layer formed so that it might cover. In the following description, unless otherwise specified, the air electrode side current collector 134 (or current collector element 135) means “the air electrode side current collector 134 (or current collector element 135) covered with the coat 136”. To do.

空気極114と空気極側集電体134とは、導電性の接合層138により接合されている。接合層138は、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物(例えば、MnCoやZnMn、CuMn等)を含む焼成体である。接合層138の製造方法は、後に詳述する。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、本実施形態においては、コート136に覆われた空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。接合層138は、特許請求の範囲における接合材に相当する。 The air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 are joined by a conductive joining layer 138. The bonding layer 138 is a fired body containing a spinel-type transition metal composite oxide (eg, MnCo 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , CuMn 2 O 4, etc.) having a first metal element and a second metal element. It is. A method for manufacturing the bonding layer 138 will be described in detail later. The air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 are electrically connected by the bonding layer 138. Although it has been described that the air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114, in the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the air electrode 114 covered with the coat 136. A bonding layer 138 is interposed therebetween. The bonding layer 138 corresponds to the bonding material in the claims.

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

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガス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(およびコート136、接合層138)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, power is generated by an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Is called. 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 coat 136, the bonding layer 138), and the fuel electrode 116 is a fuel. It is electrically connected to the other interconnector 150 via the pole side current collector 144. The plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (Not shown).

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

A−3.燃料電池スタック100の製造方法:
図6は、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。まず、スピネル型の遷移金属複合酸化物の粉末が所定量秤量され、この粉末に対する還元処理が行われることにより、接合層138の原料粉末が作製される(S110)。還元処理は、非酸化剤ガス雰囲気下もしくは真空状態における700℃〜900℃での熱処理をいう。非酸化剤ガスとしては、水素やアルゴンや窒素が好ましい。
A-3. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
FIG. 6 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel cell stack 100 in the present embodiment. First, a predetermined amount of a spinel-type transition metal composite oxide powder is weighed, and a reduction treatment is performed on the powder, thereby producing a raw material powder for the bonding layer 138 (S110). The reduction treatment refers to heat treatment at 700 ° C. to 900 ° C. in a non-oxidant gas atmosphere or in a vacuum state. As the non-oxidant gas, hydrogen, argon or nitrogen is preferable.

図7は、本実施形態における接合層138の製造方法を示す説明図である。図7の左側には、S110において作製された接合層138の原料粉末の構成が模式的に示されており、図7の右側には、焼成により形成された接合層138の構成が模式的に示されている。上述したように、接合層138は、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、S110では、そのようなスピネル型の遷移金属複合酸化物の粉末に対する還元処理が行われる。図7に示すように、この還元処理によって作製された原料粉末は、複数の第1の粒子P1を含む。各第1の粒子P1は、第1の金属元素の酸化物により構成された複数の金属酸化物部分Amoと、第2の金属元素により構成された複数の金属部分Amとを有する。すなわち、第1の粒子P1は、還元処理前のスピネル型遷移金属複合酸化物の粒子に含まれていた第2の金属元素と、当該スピネル型遷移金属複合酸化物の粒子に含まれていた第1の金属元素の酸化物とが結合した2次粒子である。例えば、接合層138がスピネル型の遷移金属複合酸化物であるMnCoを含む場合、金属酸化物部分AmoはMnOにより構成され、金属部分AmはCoにより構成される。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method for manufacturing the bonding layer 138 in the present embodiment. The structure of the raw material powder of the bonding layer 138 produced in S110 is schematically shown on the left side of FIG. 7, and the structure of the bonding layer 138 formed by firing is schematically shown on the right side of FIG. It is shown. As described above, the bonding layer 138 is a fired body including a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element. In S110, such a spinel-type transition metal is used. Reduction treatment is performed on the composite oxide powder. As shown in FIG. 7, the raw material powder produced by this reduction treatment includes a plurality of first particles P1. Each first particle P1 has a plurality of metal oxide portions Amo made of an oxide of a first metal element and a plurality of metal portions Am made of a second metal element. That is, the first particle P1 includes the second metal element contained in the spinel-type transition metal composite oxide particles before the reduction treatment and the first metal P1 contained in the spinel-type transition metal composite oxide particles. 2 is a secondary particle in which an oxide of one metal element is bonded. For example, when the bonding layer 138 includes MnCo 2 O 4 that is a spinel transition metal composite oxide, the metal oxide portion Amo is made of MnO, and the metal portion Am is made of Co.

なお、この還元処理によって作製される原料粉末は、金属元素の酸化物のみから構成された金属酸化物粒子(例えばCoの粒子)や、金属元素のみから構成された金属粒子を含む場合がある。ただし、原料粉末に含まれる第1の粒子P1の数は、金属酸化物粒子と金属粒子との総数より多い。金属酸化物粒子や金属粒子は、特許請求の範囲における「他の粒子」に相当する。また、本明細書において、「金属元素の酸化物」という用語は、当該金属元素と酸素元素とから構成された化合物を意味し、当該金属元素とは異なる他の金属元素を含む化合物(すなわち、金属複合酸化物)を含まない。 The raw material powder produced by this reduction treatment includes metal oxide particles (for example, Co 3 O 4 particles) composed only of metal element oxides or metal particles composed only of metal elements. There is. However, the number of first particles P1 contained in the raw material powder is larger than the total number of metal oxide particles and metal particles. The metal oxide particles and metal particles correspond to “other particles” in the claims. In this specification, the term “oxide of a metal element” means a compound composed of the metal element and an oxygen element, and a compound containing another metal element different from the metal element (that is, (Metal composite oxide) is not included.

次に、S110において作製された原料粉末とバインダとしての有機物とが所定の割合で混合されて、接合層138を形成するための接合用ペーストが作製される(S120)。上述した第1の粒子P1の数が金属酸化物粒子と金属粒子との総数より多いという関係は、作成された接合用ペーストにおいても維持される。   Next, the raw material powder produced in S110 and the organic substance as the binder are mixed at a predetermined ratio to produce a bonding paste for forming the bonding layer 138 (S120). The relationship that the number of the first particles P1 described above is larger than the total number of metal oxide particles and metal particles is also maintained in the created bonding paste.

次に、この接合用ペーストが、スクリーン印刷等により、燃料電池スタック100の各発電単位102を構成する空気極114と空気極側集電体134との間に配置される(S130)。接合用ペーストの塗布厚は、例えば20μm〜50μmである。なお、この際には、空気極114や空気極側集電体134は、各発電単位102を構成する他の部材と接合されていてもよい。   Next, the bonding paste is disposed between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 constituting each power generation unit 102 of the fuel cell stack 100 by screen printing or the like (S130). The application thickness of the bonding paste is, for example, 20 μm to 50 μm. At this time, the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 may be joined to other members constituting each power generation unit 102.

空気極114と空気極側集電体134との間に接合用ペーストが配置された状態で、100℃〜200℃程度の乾燥処理が行われ、さらに大気中で700℃〜900℃程度の熱処理(焼成)が行われる(S140)。これにより、接合用ペーストは、空気極114と空気極側集電体134とを接合する焼成体である接合層138となる。すなわち、図7に示すように、各第1の粒子P1内および各第1の粒子P1間において、金属酸化物部分Amoに含まれる第1の金属元素と金属部分Amに含まれる第2の金属元素との相互拡散が起こり、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物CMOを含む焼成体である接合層138が形成される。なお、接合層138の焼成前の状態、すなわち上記接合用ペーストまたは上記接合用ペーストを乾燥処理したものを、「接合材前駆体」ともいう。   In a state where the bonding paste is disposed between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134, a drying process of about 100 ° C. to 200 ° C. is performed, and a heat treatment of about 700 ° C. to 900 ° C. is performed in the atmosphere. (Baking) is performed (S140). Accordingly, the bonding paste becomes a bonding layer 138 that is a fired body that bonds the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134. That is, as shown in FIG. 7, the first metal element contained in the metal oxide portion Amo and the second metal contained in the metal portion Am within each first particle P1 and between each first particle P1. Interdiffusion with the element occurs, and a bonding layer 138 that is a fired body including a spinel-type transition metal composite oxide CMO having a first metal element and a second metal element is formed. The state before firing of the bonding layer 138, that is, the bonding paste or the bonding paste dried is also referred to as a “bonding material precursor”.

その後、残りの組み立て工程(例えばボルト22による燃料電池スタック100の締結)が行われ(S150)、上述した構成の燃料電池スタック100の製造が完了する。   Thereafter, the remaining assembly process (for example, fastening of the fuel cell stack 100 with the bolt 22) is performed (S150), and the manufacture of the fuel cell stack 100 having the above-described configuration is completed.

A−4.接合層138の性能評価:
空気極114と空気極側集電体134(または空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材、以下同様)とを接合する接合層138の導電性について、性能評価を行った。図8は、接合層138の性能評価の結果を示す説明図である。性能評価は、図8に示す7種類の構成の原料粉末のそれぞれを有機物と混合して製造した7種類の接合材前駆体を用いて行った。各接合材前駆体を空気極側集電体134の表面に厚さ20μmで印刷し、印刷された接合材前駆体の上に白金箔を配置し、850℃、3時間の熱処理(焼成)を行うことによって、空気極側集電体134と白金箔とが接合層138によって接合された7種類のサンプル(サンプル1−7)を製造した。いずれのサンプルにおける接合層138も、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体である。各サンプルに対して導電性試験を行った。
A-4. Performance evaluation of bonding layer 138:
Performance evaluation was performed on the conductivity of the bonding layer 138 that bonds the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 (or an integrated member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150, the same applies hereinafter). FIG. 8 is an explanatory diagram showing the results of performance evaluation of the bonding layer 138. The performance evaluation was performed using seven types of bonding material precursors manufactured by mixing each of the seven types of raw material powders shown in FIG. 8 with an organic substance. Each bonding material precursor is printed on the surface of the air electrode side current collector 134 with a thickness of 20 μm, a platinum foil is placed on the printed bonding material precursor, and heat treatment (firing) is performed at 850 ° C. for 3 hours. By performing, 7 types of samples (sample 1-7) in which the air electrode side current collector 134 and the platinum foil were joined by the joining layer 138 were manufactured. The bonding layer 138 in any sample is also a fired body including a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element. Conductivity tests were performed on each sample.

導電性試験では、850℃大気雰囲気下において4端子法で各サンプルの導電率を測定し、測定値が1.6Ωcm未満の場合に導電性が高い(〇)と判定し、測定値が1.6Ωcm以上、2.5Ωcm未満の場合に導電性が低い(△)と判定し、測定値が2.5Ωcm以上の場合に導電性が極めて低い(×)と判定した。 In the conductivity test, the conductivity of each sample was measured by the 4-terminal method in an air atmosphere at 850 ° C., and when the measured value was less than 1.6 Ωcm 2 , it was determined that the conductivity was high (◯), and the measured value was 1 The electrical conductivity was judged to be low (Δ) when it was 0.6 Ωcm 2 or more and less than 2.5 Ωcm 2 , and the electrical conductivity was judged to be extremely low (x) when the measured value was 2.5 Ωcm 2 or more.

サンプル1−4(実施例)では、接合材前駆体に含まれる原料粉末は、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を還元処理することによって作製されたものである。具体的には、サンプル1に用いられた原料粉末は、Mn(第1の金属元素)とCo(第2の金属元素)とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物(MnCo)を還元処理することによって作製されたものである。そのため、この原料粉末は、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された複数の金属酸化物部分Amoと、Co(第2の金属元素)により構成された複数の金属部分Amとを有する複数の第1の粒子P1を備える(図7参照)。サンプル1において還元処理の対象とされたスピネル型の遷移金属複合酸化物の粉末の粒径は0.1μm〜2μmであり、該粉末のメジアン径は0.5μm〜2μmであり、該粉末の比表面積は3m/g〜8m/gであり、該粉末の使用量は50gであった。これらの点については、他のサンプルにおいても同様である。 In Sample 1-4 (Example), the raw material powder included in the bonding material precursor is prepared by reducing a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element. It has been done. Specifically, the raw material powder used in Sample 1 is a spinel-type transition metal composite oxide (MnCo 2 O 4 ) having Mn (first metal element) and Co (second metal element). It was produced by reduction treatment. Therefore, this raw material powder includes a plurality of metal oxide portions Amo composed of MnO (first metal element oxide) and a plurality of metal portions Am composed of Co (second metal element). A plurality of first particles P1 are provided (see FIG. 7). The particle size of the spinel-type transition metal composite oxide powder, which is the subject of reduction treatment in Sample 1, is 0.1 μm to 2 μm, and the median diameter of the powder is 0.5 μm to 2 μm. surface area of 3m 2 / g~8m 2 / g, the amount of the powder was 50 g. The same applies to other samples.

なお、サンプル1において、還元処理により作製された原料粉末をめのう乳鉢で解砕したところ、粉末粒径は0.1μm〜3μmであり、メジアン径は1μm〜4μmであり、比表面積は1m/g〜5m/gであった。XRDを用いて解砕後の粉末の構造を解析したところ、大部分がMnOとCoとの2相に還元されていることが確認された。ただし、微量の金属酸化物粒子(CoOの粒子)も含んでいることが確認された。これらの点については、他のサンプルにおいても同様である。 In sample 1, when the raw material powder produced by the reduction treatment was crushed with an agate mortar, the powder particle diameter was 0.1 μm to 3 μm, the median diameter was 1 μm to 4 μm, and the specific surface area was 1 m 2 / g to 5 m 2 / g. When the structure of the powder after pulverization was analyzed using XRD, it was confirmed that most of the powder was reduced to two phases of MnO and Co. However, it was confirmed that trace amounts of metal oxide particles (CoO particles) were also included. The same applies to other samples.

同様に、サンプル2に用いられた原料粉末は、Mn(第1の金属元素)とCo(第2の金属元素)とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物(Mn1.5Co1.5)を還元処理することによって作製されたものであり、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された複数の金属酸化物部分Amoと、Co(第2の金属元素)により構成された複数の金属部分Amとを有する複数の第1の粒子P1を備える。サンプル3に用いられた原料粉末は、Mn(第1の金属元素)とCu(第2の金属元素)とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物(CuMn)を還元処理することによって作製されたものであり、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された複数の金属酸化物部分Amoと、Cu(第2の金属元素)により構成された複数の金属部分Amとを有する複数の第1の粒子P1を備える。サンプル4に用いられた原料粉末は、Mn(第1の金属元素)とZn(第2の金属元素)とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物(ZnMn)を還元処理することによって作製されたものであり、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された複数の金属酸化物部分Amoと、Zn(第2の金属元素)により構成された複数の金属部分Amとを有する複数の第1の粒子P1を備える。 Similarly, the raw material powder used in Sample 2 is a spinel-type transition metal composite oxide (Mn 1.5 Co 1.5 ) having Mn (first metal element) and Co (second metal element). O 4 ) produced by reduction treatment, and composed of a plurality of metal oxide portions Amo composed of MnO (first metal element oxide) and Co (second metal element). And a plurality of first particles P1 having a plurality of metal portions Am. The raw material powder used in Sample 3 is obtained by reducing spinel-type transition metal composite oxide (CuMn 2 O 4 ) having Mn (first metal element) and Cu (second metal element). A plurality of metal oxide portions Amo made of MnO (first metal element oxide) and a plurality of metal portions Am made of Cu (second metal element). A plurality of first particles P1 are provided. The raw material powder used in sample 4 is obtained by reducing spinel-type transition metal composite oxide (ZnMn 2 O 4 ) having Mn (first metal element) and Zn (second metal element). A plurality of metal oxide portions Amo made of MnO (first metal element oxide) and a plurality of metal portions Am made of Zn (second metal element). A plurality of first particles P1 are provided.

一方、サンプル5−7(比較例)では、接合材前駆体に含まれる原料粉末は、上記実施形態とは異なり、スピネル型の遷移金属複合酸化物を還元処理することによって作製されたものではない。具体的には、サンプル5に用いられた原料粉末は、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された金属酸化物粒子とCo(第2の金属元素)により構成された金属粒子との混合粉末である。また、サンプル6に用いられた原料粉末は、Mn(第1の金属元素)により構成された金属粒子とCo(第2の金属元素)により構成された金属粒子との混合粉末である。また、サンプル7に用いられた原料粉末は、スピネル型の遷移金属複合酸化物(MnCo)自体の粉末である。 On the other hand, in Sample 5-7 (Comparative Example), the raw material powder contained in the bonding material precursor is not produced by reducing spinel-type transition metal composite oxide unlike the above embodiment. . Specifically, the raw material powder used in Sample 5 is composed of metal oxide particles composed of MnO (first metal element oxide) and metal particles composed of Co (second metal element). It is a mixed powder. The raw material powder used in Sample 6 is a mixed powder of metal particles composed of Mn (first metal element) and metal particles composed of Co (second metal element). The raw material powder used in Sample 7 is a powder of a spinel type transition metal composite oxide (MnCo 2 O 4 ) itself.

図8に示すように、サンプル1−4(実施例)については、導電性が高い(〇)と判定された。サンプル1−4の接合材前駆体は、第1の金属元素の酸化物により構成された複数の金属酸化物部分Amoと第2の金属元素により構成された複数の金属部分Amとを有する複数の第1の粒子P1を含む(図7参照)。そのため、接合材前駆体内において、金属酸化物部分Amoおよび金属部分Amのそれぞれの配置の偏りが小さく、金属酸化物部分Amoと金属部分Amとが接する箇所が多数存在する。従って、焼成の際に、金属酸化物部分Amoに含まれる第1の金属元素と金属部分Amに含まれる第2の金属元素との相互拡散が起こりやすく、短い時間で相互拡散が完了し、均一なスピネル型の遷移金属複合酸化物を多数含む接合層138が形成される。スピネル型の遷移金属複合酸化物は高い導電性を有するため、形成された接合層138も高い導電性を有することとなる。   As shown in FIG. 8, Sample 1-4 (Example) was determined to have high conductivity (◯). The bonding material precursor of Sample 1-4 has a plurality of metal oxide portions Amo composed of oxides of the first metal elements and a plurality of metal portions Am composed of the second metal elements. The first particle P1 is included (see FIG. 7). Therefore, in the bonding material precursor, there is little deviation in the arrangement of the metal oxide portion Amo and the metal portion Am, and there are many places where the metal oxide portion Amo and the metal portion Am are in contact. Therefore, during the firing, the first metal element contained in the metal oxide portion Amo and the second metal element contained in the metal portion Am are likely to be interdiffused, and the interdiffusion is completed in a short time and uniform. A bonding layer 138 containing a large number of spinel-type transition metal composite oxides is formed. Since the spinel-type transition metal composite oxide has high conductivity, the formed bonding layer 138 also has high conductivity.

これに対し、サンプル5(比較例)については、導電性が低い(△)と判定された。図9は、比較例における接合層138の製造方法を示す説明図である。サンプル5では、図9に示すように、接合材前駆体は、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された金属酸化物粒子P2と、Co(第2の金属元素)により構成された金属粒子P3とを含む。そのため、接合材前駆体内において、第1の金属元素を含む金属酸化物粒子P2が偏って配置された箇所や、第2の金属元素を含む金属粒子P3が偏って配置された箇所が多数存在することとなり、金属酸化物粒子P2と金属粒子P3とが接する箇所B1に加え、金属酸化物粒子P2同士が接触する箇所B2や、金属粒子P3同士が接触する箇所B3も多数存在することとなる。従って、焼成の際に、金属酸化物粒子P2と金属粒子P3とが接する箇所B1では、金属酸化物粒子P2に含まれるMn(第1の金属元素)と金属粒子P3に含まれるCo(第2の金属元素)との相互拡散が起こってスピネル型の遷移金属複合酸化物CMOが生成されるものの、金属酸化物粒子P2同士が接触する箇所B2や金属粒子P3同士が接触する箇所B3では、第1の金属元素と第2の金属元素との相互拡散が起こりにくくなり、主として単一金属元素の酸化物(例えばMnやCo)が生成される。単一金属元素の酸化物は、スピネル型の遷移金属複合酸化物と比較して導電性が低いことから、形成された接合層138の導電性は比較的低くなる。特に、焼成直後において、その傾向が顕著である。 In contrast, Sample 5 (Comparative Example) was determined to have low conductivity (Δ). FIG. 9 is an explanatory view showing a method of manufacturing the bonding layer 138 in the comparative example. In sample 5, as shown in FIG. 9, the bonding material precursor is composed of metal oxide particles P2 composed of MnO (oxide of the first metal element) and Co (second metal element). Metal particles P3. Therefore, in the bonding material precursor, there are many places where the metal oxide particles P2 containing the first metal element are arranged unevenly and places where the metal particles P3 containing the second metal element are arranged unevenly. In other words, in addition to the location B1 where the metal oxide particles P2 and the metal particles P3 are in contact, there are also a number of locations B2 where the metal oxide particles P2 are in contact with each other and locations B3 where the metal particles P3 are in contact with each other. Therefore, at the location B1 where the metal oxide particles P2 and the metal particles P3 are in contact with each other during firing, Mn (first metal element) contained in the metal oxide particles P2 and Co (second metal) contained in the metal particles P3. Although the spinel-type transition metal composite oxide CMO is generated due to mutual diffusion with the metal element), at the location B2 where the metal oxide particles P2 contact each other and the location B3 where the metal particles P3 contact each other, Interdiffusion between the first metal element and the second metal element is less likely to occur, and oxides of single metal elements (for example, Mn 3 O 4 and Co 3 O 4 ) are mainly generated. Since the oxide of a single metal element has lower conductivity than the spinel type transition metal composite oxide, the conductivity of the formed bonding layer 138 is relatively low. In particular, the tendency is remarkable immediately after firing.

同様に、サンプル6(比較例)についても、導電性が低い(△)と判定された。サンプル6の接合材前駆体は、上述した図9において、金属酸化物粒子P2を金属粒子P2と読み替えた構成を有する。すなわち、サンプル6の接合材前駆体は、Mn(第1の金属元素)により構成された金属粒子P2と、Co(第2の金属元素)により構成された金属粒子P3とを含む。そのため、接合材前駆体内において、第1の金属元素を含む金属粒子P2が偏って配置された箇所や、第2の金属元素を含む金属粒子P3が偏って配置された箇所が多数存在することとなり、金属粒子P2と金属粒子P3とが接する箇所B1に加え、金属粒子P2同士が接触する箇所B2や、金属粒子P3同士が接触する箇所B3も多数存在することとなる。従って、焼成の際に、金属粒子P2と金属粒子P3とが接する箇所B1では、金属粒子P2に含まれるMn(第1の金属元素)と金属粒子P3に含まれるCo(第2の金属元素)との相互拡散が起こってスピネル型の遷移金属複合酸化物が生成されるものの、金属粒子P2同士が接触する箇所B2や金属粒子P3同士が接触する箇所B3では、第1の金属元素と第2の金属元素との相互拡散が起こりにくくなり、主として単一金属元素の酸化物(例えばMnやCo)が生成され、形成された接合層138の導電性は比較的低くなる。 Similarly, Sample 6 (Comparative Example) was also determined to have low conductivity (Δ). The bonding material precursor of the sample 6 has a configuration in which the metal oxide particles P2 are replaced with the metal particles P2 in FIG. 9 described above. That is, the bonding material precursor of sample 6 includes metal particles P2 made of Mn (first metal element) and metal particles P3 made of Co (second metal element). Therefore, in the bonding material precursor, there are a large number of locations where the metal particles P2 containing the first metal element are arranged unevenly and locations where the metal particles P3 containing the second metal element are arranged unevenly. In addition to the location B1 where the metal particles P2 and the metal particles P3 are in contact, there are many locations B2 where the metal particles P2 are in contact with each other, and there are many locations B3 where the metal particles P3 are in contact. Accordingly, at the location B1 where the metal particles P2 and the metal particles P3 are in contact with each other during firing, Mn (first metal element) contained in the metal particles P2 and Co (second metal element) contained in the metal particles P3. Although the spinel-type transition metal composite oxide is generated by the mutual diffusion of the first metal element and the second metal in the portion B2 where the metal particles P2 are in contact with each other and the location B3 where the metal particles P3 are in contact with each other, Interdiffusion with the metal element is less likely to occur, oxides of single metal elements (for example, Mn 3 O 4 and Co 3 O 4 ) are mainly generated, and the conductivity of the formed bonding layer 138 is relatively low. .

また、サンプル7(比較例)については、導電性が極めて低い(×)と判定された。サンプル7の接合材前駆体は、スピネル型の遷移金属複合酸化物(MnCo)自体の粉末を含む。スピネル型の遷移金属複合酸化物は高温でも安定して存在する酸化物であるため、サンプル7では、焼成の際に、Mn(第1の金属元素)とCo(第2の金属元素)との相互拡散が起きにくい。その結果、形成された接合層138内で導電パスとなる粒子間の接触部の面積が小さくなり、接合層138の導電性は極めて低くなる。 Sample 7 (Comparative Example) was determined to have very low conductivity (x). The bonding material precursor of sample 7 includes a powder of a spinel type transition metal composite oxide (MnCo 2 O 4 ) itself. Since the spinel-type transition metal composite oxide is an oxide that exists stably even at a high temperature, sample 7 contains Mn (first metal element) and Co (second metal element) during firing. Interdiffusion hardly occurs. As a result, the area of the contact portion between the particles serving as a conductive path in the formed bonding layer 138 becomes small, and the conductivity of the bonding layer 138 becomes extremely low.

A−5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態では、空気極114と空気極側集電体134とを接合する接合層138は、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、接合層138の焼成前の状態である接合材前駆体は、有機物と、第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物部分Amoと第2の金属元素により構成された金属部分Amとをそれぞれ有する複数の第1の粒子P1とを備える。そのため、接合材前駆体内において、金属酸化物部分Amoおよび金属部分Amのそれぞれの配置の偏りが小さく、金属酸化物部分Amoと金属部分Amとが接する箇所が多くなり、焼成の際に、金属酸化物部分Amoに含まれる第1の金属元素と金属部分Amに含まれる第2の金属元素との相互拡散が起こりやすく、短い時間で相互拡散が完了し、均一なスピネル型の遷移金属複合酸化物を多数含む接合層138が形成される。従って、本実施形態の接合材前駆体によれば、接合材前駆体の焼成によって得られる接合層138の導電性を高くすることができる。
A-5. Effects of this embodiment:
As described above, in this embodiment, the bonding layer 138 that bonds the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 is a spinel transition metal having a first metal element and a second metal element. A bonding material precursor that is a fired body including a composite oxide and is in a state before firing of the bonding layer 138 includes an organic substance, a metal oxide portion Amo composed of an oxide of a first metal element, and a second oxide. And a plurality of first particles P1 each having a metal portion Am made of a metal element. Therefore, in the bonding material precursor, the deviation of the arrangement of the metal oxide portion Amo and the metal portion Am is small, and there are many places where the metal oxide portion Amo and the metal portion Am are in contact with each other. The first metal element contained in the material portion Amo and the second metal element contained in the metal portion Am are likely to be interdiffused, and the interdiffusion is completed in a short time, and a uniform spinel type transition metal composite oxide Is formed. Therefore, according to the bonding material precursor of this embodiment, the conductivity of the bonding layer 138 obtained by firing the bonding material precursor can be increased.

特に、本実施形態では、接合材前駆体に含まれる各第1の粒子P1が、複数の金属酸化物部分Amoと複数の金属部分Amとを有するため、接合材前駆体内において、金属酸化物部分Amoと金属部分Amとが接する箇所がより多くなり、焼成の際に、金属酸化物部分Amoに含まれる第1の金属元素と金属部分Amに含まれる第2の金属元素との相互拡散がより起こりやすく、均一なスピネル型の遷移金属複合酸化物をより多く含む接合層138が形成されるため、接合層138の導電性をより高くすることができる。   In particular, in the present embodiment, each first particle P1 included in the bonding material precursor has a plurality of metal oxide portions Amo and a plurality of metal portions Am. There are more places where Amo and the metal portion Am are in contact, and during firing, the first metal element contained in the metal oxide portion Amo and the second metal element contained in the metal portion Am are more interdiffused. Since the bonding layer 138 which is likely to occur and contains a larger amount of the uniform spinel transition metal composite oxide is formed, the conductivity of the bonding layer 138 can be further increased.

また、本実施形態では、上記第1の金属元素はMnであり、上記第2の金属元素はCoとCuとZnとのいずれかである。このような、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物は導電性が比較的高い。そのため、この構成によれば、接合材前駆体の焼成によって得られる接合層138の導電性を極めて高くすることができる。   In the present embodiment, the first metal element is Mn, and the second metal element is any one of Co, Cu, and Zn. Such a spinel-type transition metal composite oxide having the first metal element and the second metal element has a relatively high conductivity. Therefore, according to this configuration, the conductivity of the bonding layer 138 obtained by firing the bonding material precursor can be extremely increased.

また、本実施形態では、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を還元処理することにより接合材前駆体の原料粉末が作製される。このようにすれば、原料粉末に含まれる複数の粒子の大半を、第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物部分と第2の金属元素により構成された金属部分とを有する第1の粒子とすることができるため、接合材前駆体の焼成によって得られる接合層138の導電性を高くすることができる。   In this embodiment, the raw material powder of the bonding material precursor is produced by reducing the spinel type transition metal composite oxide having the first metal element and the second metal element. In this way, the majority of the plurality of particles contained in the raw material powder has a metal oxide portion constituted by the oxide of the first metal element and a metal portion constituted by the second metal element. Therefore, the conductivity of the bonding layer 138 obtained by firing the bonding material precursor can be increased.

A−6.接合材前駆体の分析方法:
接合材前駆体の分析方法は、例えば以下の通りである。原料粉末と有機物とを含む接合材前駆体をエタノール中で超音波洗浄(38kHz、5min)にかけた後、乾燥させ(100℃、30min)、乾燥後の粉末を樹脂に埋めこんで硬化させ、断面を作製して鏡面研磨を実施した後、EDSにて元素マップを作成する。この際の視野は5000倍とし、粉末粒子同士が上下に重なり合わない位置を狙って観察するものとする。例えば、上記性能評価のサンプル1に用いられた接合材前駆体をこの方法で分析したところ、Co(第2の金属元素)により構成された金属部分Amを核として、MnO(第1の金属元素の酸化物)により構成された金属酸化物部分Amoが周囲に配置された構成であることが確認された。
A-6. Analysis method of bonding material precursor:
The analysis method of the bonding material precursor is, for example, as follows. The bonding material precursor containing the raw material powder and the organic substance is subjected to ultrasonic cleaning (38 kHz, 5 min) in ethanol, and then dried (100 ° C., 30 min). After mirror fabrication and mirror polishing, an element map is created by EDS. In this case, the field of view is set to 5000 times, and the observation is made with the aim of a position where the powder particles do not overlap vertically. For example, when the bonding material precursor used in Sample 1 for performance evaluation was analyzed by this method, MnO (first metal element) was formed using a metal portion Am composed of Co (second metal element) as a nucleus. It was confirmed that the metal oxide portion Amo composed of the oxide was disposed around.

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態では、スピネル型の遷移金属複合酸化物に含まれる第1の金属元素はMnであり、第2の金属元素はCoとCuとZnとのいずれかであるとしているが、スピネル型の遷移金属複合酸化物に含まれる第1および第2の金属元素は上記以外の金属元素であってもよい。ただし、上述したように、第1の金属元素をMnとして、第2の金属元素をCoとCuとZnとのいずれかとすれば、接合材前駆体を焼成して形成した接合層138の導電性を高くすることができるため好ましい。また、スピネル型の遷移金属複合酸化物が、第1および第2の金属元素に加えて、他の金属元素を含んでいてもよい。   In the above embodiment, the first metal element contained in the spinel-type transition metal composite oxide is Mn, and the second metal element is any one of Co, Cu, and Zn. The first and second metal elements contained in the transition metal composite oxide may be metal elements other than those described above. However, as described above, if the first metal element is Mn and the second metal element is any one of Co, Cu, and Zn, the conductivity of the bonding layer 138 formed by firing the bonding material precursor. Can be increased, which is preferable. Further, the spinel-type transition metal composite oxide may contain other metal elements in addition to the first and second metal elements.

また、上記実施形態では、接合材前駆体に含まれる第1の粒子P1は、第1の金属元素の酸化物により構成された複数の金属酸化物部分Amoと第2の金属元素により構成された複数の金属部分Amとを有するとしているが、第1の粒子P1は、1つの金属酸化物部分Amoと1つの金属部分Amとを有するとしてもよい。   Moreover, in the said embodiment, the 1st particle | grains P1 contained in a joining material precursor were comprised with the some metal oxide part Amo comprised by the oxide of the 1st metal element, and the 2nd metal element. Although it has the plurality of metal portions Am, the first particles P1 may have one metal oxide portion Amo and one metal portion Am.

また、上記実施形態では、接合材前駆体に含まれる第1の粒子P1の数は、接合材前駆体に含まれる金属酸化物粒子と金属粒子との総数より多いとしているが、必ずしもそうである必要は無い。また、接合材前駆体に、金属酸化物粒子と金属粒子との少なくとも一方が含まれないとしてもよい。   In the above embodiment, the number of the first particles P1 included in the bonding material precursor is greater than the total number of metal oxide particles and metal particles included in the bonding material precursor, but this is not necessarily the case. There is no need. The bonding material precursor may not include at least one of metal oxide particles and metal particles.

また、上記実施形態では、スピネル型の遷移金属複合酸化物が還元処理されることによって、第1の粒子P1を含む原料粉末が作製されるとしているが、原料粉末の作製方法はこれに限られない。例えば、第1の金属元素の酸化物に第2の金属元素の粒子をCVDやPVDによって蒸着させることにより、第1の粒子P1を含む原料粉末が作製されるとしてもよい。   In the above embodiment, the spinel-type transition metal composite oxide is reduced to produce the raw material powder containing the first particles P1, but the production method of the raw material powder is limited to this. Absent. For example, the raw material powder containing the first particles P1 may be produced by depositing particles of the second metal element on the oxide of the first metal element by CVD or PVD.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。   In the above embodiment, the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.

また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各連通孔108とは別に設けてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the space between the outer peripheral surface of the axial part of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communicating hole 108 is utilized as each manifold, it replaces with this and the axis | shaft of each bolt 22 is used. An axial hole may be formed in the part, and the hole may be used as each manifold. Further, each manifold may be provided separately from each communication hole 108 into which each bolt 22 is inserted.

また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。   In the above embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. Two power generation units 102 may be provided with respective interconnectors 150. In the above embodiment, the upper interconnector 150 of the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 and the lower interconnector 150 of the lowermost power generation unit 102 are omitted. These interconnectors 150 may be provided without being omitted.

また、上記実施形態において、空気極側集電体134と、それに隣接するインターコネクタ150とが別部材であってもよい。また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。   In the above embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 adjacent thereto may be separate members. Further, in the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 may have the same configuration as the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode side current collector 144 and the adjacent interconnector 150 are an integral member. It may be. Further, the fuel electrode side frame 140 instead of the air electrode side frame 130 may be an insulator. The air electrode side frame 130 and the fuel electrode side frame 140 may have a multilayer structure.

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、空気極側集電体134は、Crを含む金属により形成されているが、空気極側集電体134は、他の材料により形成されていてもよい。また、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の形状は、四角柱状に限らず、他の形状であってもよい。また、空気極側集電体134がコート136に覆われていなくてもよい。   Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material. For example, in the above embodiment, the air electrode side current collector 134 is formed of a metal containing Cr, but the air electrode side current collector 134 may be formed of other materials. In addition, the shape of each current collector element 135 constituting the air electrode side current collector 134 is not limited to a rectangular column shape, and may be another shape. Further, the air electrode side current collector 134 may not be covered with the coat 136.

また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。   In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.

本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。   In the present specification, the fact that the member B and the member C are opposed to each other across the member (or a part having the member, the same applies hereinafter) A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. It includes a form in which another component is interposed between member A and member B or member C. For example, even in a configuration in which another layer is provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114, it can be said that the air electrode 114 and the fuel electrode 116 face each other with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位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2014−207120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セル単位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に、空気極114と空気極側集電体134とを接合する接合層138が、第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、接合層138の焼成前の状態である接合材前駆体が、有機物と、第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物部分と第2の金属元素により構成された金属部分とをそれぞれ有する複数の第1の粒子とを備える構成を採用すれば、接合材前駆体を焼成することにより形成される接合層138の導電性を高くすることができる。   In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a minimum unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolytic cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-207120, and thus will not be described in detail here. It is a configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, and the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit. However, when the electrolysis cell stack is operated, 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 as a source gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole. Also in the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack having such a configuration, the bonding layer 138 for bonding the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 is formed of the first metal element and the second electrode, as in the above embodiment. And a bonding material precursor, which is a state before the bonding layer 138 is fired, is composed of an organic substance and an oxide of the first metal element. If a configuration including a plurality of first particles each having a formed metal oxide portion and a metal portion composed of a second metal element is employed, bonding formed by firing the bonding material precursor The conductivity of the layer 138 can be increased.

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、本願発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention relates to a solid polymer fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate type. It can also be applied to other types of fuel cells (or electrolysis cells) such as fuel cells (MCFC).

また、上記実施形態では、燃料電池(または電解セル)における空気極114と空気極側集電体134とを接合する接合層138の焼成前の状態である接合材前駆体を例に説明したが、本願発明は、空気極114と空気極側集電体134との接合に限られず、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを接合する接合材の焼成前の状態である接合材前駆体一般に適用可能である。例えば、本願発明は、第1の導電性部材としての燃料極116と第2の導電性部材としての燃料極側集電体144とを接合する接合材の焼成前の状態である接合材前駆体に適用可能である。   Moreover, although the said embodiment demonstrated the joining material precursor which is the state before baking of the joining layer 138 which joins the air electrode 114 and the air electrode side collector 134 in a fuel cell (or electrolysis cell) as an example. The present invention is not limited to the bonding of the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134, but is a bonding state before firing the bonding material for bonding the first conductive member and the second conductive member. Applicable to general material precursors. For example, the invention of the present application is a bonding material precursor in a state before firing of a bonding material for bonding the fuel electrode 116 as the first conductive member and the fuel electrode side current collector 144 as the second conductive member. It is applicable to.

22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 136:コート 138:接合層 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 22: 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: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side Current collector 135: Current collector element 136: Coat 138: Bonding layer 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode Opposing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spare Sir 150: interconnector 161: oxidizing gas inlet manifold 162: oxidizing gas discharging manifold 166: an air chamber 171: fuel gas inlet manifold 172: fuel gas discharging manifold 176: fuel chamber

Claims (10)

第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを接合する導電性の接合材の焼成前の状態である接合材前駆体であって、
有機物と、
前記第1の金属元素の酸化物により構成された金属酸化物部分と前記第2の金属元素により構成された金属部分とをそれぞれ有する複数の第1の粒子と、を備えることを特徴とする、接合材前駆体。
A conductive joint comprising a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element, and joining the first conductive member and the second conductive member A bonding material precursor in a state before firing the material,
Organic matter,
A plurality of first particles each having a metal oxide portion constituted by an oxide of the first metal element and a metal portion constituted by the second metal element, Bonding material precursor.
請求項1に記載の接合材前駆体において、
各前記第1の粒子は、複数の前記金属酸化物部分と複数の前記金属部分とを有することを特徴とする、接合材前駆体。
In the bonding material precursor according to claim 1,
Each said 1st particle | grain has a some said metal oxide part and a some said metal part, The joining material precursor characterized by the above-mentioned.
請求項1または請求項2に記載の接合材前駆体において、
前記第1の粒子の数は、前記金属酸化物部分のみから構成された金属酸化物粒子と前記金属部分のみから構成された金属粒子との少なくとも一方である他の粒子の数より多いことを特徴とする、接合材前駆体。
In the bonding material precursor according to claim 1 or 2,
The number of the first particles is larger than the number of other particles which are at least one of the metal oxide particles composed only of the metal oxide portion and the metal particles composed only of the metal portion. And a bonding material precursor.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の接合材前駆体において、
前記第1の金属元素は、Mnであり、前記第2の金属元素は、CoとCuとZnとのいずれかであることを特徴とする、接合材前駆体。
In the bonding material precursor according to any one of claims 1 to 3,
The bonding material precursor, wherein the first metal element is Mn, and the second metal element is any one of Co, Cu, and Zn.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の接合材前駆体において、
前記第1の導電性部材は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおける前記空気極であることを特徴とする、接合材前駆体。
In the bonding material precursor according to any one of claims 1 to 4,
The first conductive member is the air electrode in an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween. And a bonding material precursor.
請求項5に記載の接合材前駆体において、
前記第2の導電性部材は、前記電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極の側に配置された集電部材と、を備える電気化学反応単位における前記集電部材であることを特徴とする、接合材前駆体。
In the bonding material precursor according to claim 5,
The second conductive member is the current collecting member in an electrochemical reaction unit comprising the electrochemical reaction single cell and a current collecting member disposed on the air electrode side of the electrochemical reaction single cell. A bonding material precursor characterized by comprising:
複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックであって、
各前記電気化学反応単位は、
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルの前記空気極の側に配置された集電部材と、を備え、
前記第1の導電性部材としての前記空気極と前記第2の導電性部材としての前記集電部材とは、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の接合材前駆体により形成された前記接合材により接合されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
An electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction units,
Each of the electrochemical reaction units is
An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other across the electrolyte layer;
A current collecting member disposed on the air electrode side of the electrochemical reaction unit cell,
The said cathode and said current collection member as said 2nd electroconductive member as said 1st electroconductive member are based on the joining material precursor as described in any one of Claim 1- Claim 6. An electrochemical reaction cell stack characterized by being bonded by the formed bonding material.
第1の金属元素と第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を含む焼成体であり、第1の導電性部材と第2の導電性部材とを接合する導電性の接合材の焼成前の状態である接合材前駆体の製造方法であって、
前記第1の金属元素と前記第2の金属元素とを有するスピネル型の遷移金属複合酸化物を還元処理することにより原料粉末を作製する工程と、
前記原料粉末と有機物とを混合して前記接合材前駆体を作製する工程と、
を備えることを特徴とする、接合材前駆体の製造方法。
A conductive joint comprising a spinel-type transition metal composite oxide having a first metal element and a second metal element, and joining the first conductive member and the second conductive member A method for producing a bonding material precursor in a state before firing the material,
Producing a raw material powder by reducing a spinel-type transition metal composite oxide having the first metal element and the second metal element;
Mixing the raw material powder and an organic material to produce the bonding material precursor;
A method for producing a bonding material precursor.
請求項8に記載の接合材前駆体の製造方法において、
前記第1の金属元素は、Mnであり、前記第2の金属元素は、CoとCuとZnとのいずれかであることを特徴とする、接合材前駆体の製造方法。
In the manufacturing method of the joining material precursor according to claim 8,
The method for producing a bonding material precursor, wherein the first metal element is Mn, and the second metal element is any one of Co, Cu, and Zn.
固体酸化物を含む電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極の側に配置された集電部材と、を備える電気化学反応単位を複数備える電気化学反応セルスタックの製造方法であって、
請求項8または請求項9に記載の接合材前駆体の製造方法で製造された前記接合材前駆体を準備する工程と、
前記第1の導電性部材としての前記空気極と前記第2の導電性部材としての前記集電部材との間に、前記接合材前駆体を配置する工程と、
前記接合材前駆体を焼成することにより、前記空気極と前記集電部材とを接合する前記接合材を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタックの製造方法。
An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other across the electrolyte layer, and a current collector disposed on the air electrode side of the electrochemical reaction unit cell A method for producing an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction units comprising:
Preparing the bonding material precursor manufactured by the method for manufacturing a bonding material precursor according to claim 8 or 9,
Disposing the bonding material precursor between the air electrode as the first conductive member and the current collecting member as the second conductive member;
Forming the bonding material for bonding the air electrode and the current collecting member by firing the bonding material precursor;
A method for producing an electrochemical reaction cell stack, comprising:
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