CN117616603A - 电化学单电池、电化学单电池装置、模块以及模块收容装置 - Google Patents
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Abstract
电化学单电池具备气体透过构件、金属构件以及导电构件。气体透过构件具有导电性，供还原性气体透过。金属构件含有铬，与气体透过构件连接。导电构件是多孔质，位于气体透过构件与金属构件之间。导电构件含有金属粒子、和第一电离能及每摩尔氧的氧化物的生成自由能小于铬的第一元素。
Description
技术领域
本公开涉及电化学单电池、电化学单电池装置、模块以及模块收容装置。
背景技术
近年来，作为下一代能源，提出了各种具备多个燃料电池单体的燃料电池堆装置。燃料电池单体是能够使用含氢气体等还原性气体和空气等含氧气体而得到电力的电化学单电池的一种。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2009/131180号
发明内容
实施方式的一方式所涉及的电化学单电池具备气体透过构件、金属构件以及导电构件。气体透过构件具有导电性，供还原性气体透过。金属构件含有铬，与气体透过构件连接。导电构件是多孔质，位于气体透过构件与金属构件之间。导电构件含有金属粒子、和第一电离能及每摩尔氧的氧化物的生成自由能小于铬的第一元素。
此外，本公开的电化学单电池装置具有具备上述所记载的电化学单电池的单电池堆。
此外，本公开的模块具备上述所记载的电化学单电池装置和收纳电化学单电池装置的收纳容器。
此外，本公开的模块收容装置具备：上述所记载的模块；辅机，用于进行模块的运行；以及外装壳体，收纳模块以及辅机。
附图说明
图1A是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的横剖视图。
图1B是从空气极侧观察第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的侧视图。
图1C是从互连器侧观察第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的侧视图。
图1D是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的纵剖视图。
图2A是表示互连器以及导电构件的结构例的剖视图。
图2B是表示互连器以及导电构件的结构例的剖视图。
图2C是表示互连器以及导电构件的结构例的剖视图。
图3A是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池装置的一例的立体图。
图3B是图3A所示的X-X线的剖视图。
图3C是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池装置的一例的俯视图。
图4是表示第一实施方式所涉及的模块的一例的外观立体图。
图5是概略地表示第一实施方式所涉及的模块收容装置的一例的分解立体图。
图6是表示第二实施方式所涉及的电化学单电池的横剖视图。
图7是表示第二实施方式所涉及的电化学单电池装置的一例的剖视图。
图8是图7所示的区域A的放大图。
图9A是表示第三实施方式所涉及的电化学单电池的一例的剖视图。
图9B是表示第三实施方式所涉及的电化学单电池的另一例的剖视图。
图9C是表示第三实施方式所涉及的电化学单电池的另一例的剖视图。
图10A是表示图9A所示的区域B的一例的放大图。
图10B是表示图9A所示的区域B的另一例的放大图。
图11A是表示具备在第一面具有凹部的金属构件的电化学单电池的一例的横剖视图。
图11B是从第一面侧观察图11A所示的金属构件的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本申请所公开的电化学单电池、电化学单电池装置、模块以及模块收容装置的实施方式进行详细说明。另外，本公开并不限定于以下所示的实施方式。
此外，需要注意的是，附图是示意性的，各要素的尺寸的关系、各要素的比率等有时与现实不同。进而，在附图相互之间，有时也包括彼此的尺寸的关系、比率等不同的部分。
[第一实施方式]
<电化学单电池的结构>
首先，参照图1A～图1D，作为第一实施方式所涉及的电化学单电池，使用固体氧化物的燃料电池单体的例子进行说明。电化学单电池装置也可以具有具备多个电化学单电池的单电池堆。将具备多个电化学单电池的电化学单电池装置简称为单电池堆装置。
图1A是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的横剖视图，图1B是从空气极侧观察第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的侧视图，图1C是从互连器侧观察第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的侧视图，图1D是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池的一例的纵剖视图。另外，图1A～图1D将电化学单电池的各结构的一部分放大表示。以下，有时也将电化学单电池简称为单电池。
在图1A～图1D所示的例子中，单电池1为中空平板型，为细长的板状。如图1B所示，从侧面观察单电池1的整体的形状例如是长度方向L的边的长度为5cm～50cm、与该长度方向L正交的宽度方向W的长度为1cm～10cm的长方形。该单电池1的整体的厚度方向T的厚度为1mm～5mm。
如图1A所示，单电池1具备导电性的支承基板2、元件部3、互连器4以及导电构件9。支承基板2是具有一对对置的平坦面即第一面n1及第二面n2、以及连接该第一面n1及第二面n2的一对圆弧状的侧面m的柱状。
元件部3设置在支承基板2的第一面n1上。该元件部3具有燃料极5、固体电解质层6和空气极8。此外，在图1A所示的例子中，导电构件9位于支承基板2的第二面n2上。另外，单电池1也可以在固体电解质层6与空气极8之间具备中间层7。
此外，如图1B所示，空气极8未延伸至单电池1的下端。在单电池1的下端部，仅固体电解质层6在第一面n1的表面露出。此外，如图1C所示，互连器4也可以延伸至单电池1的下端。在单电池1的下端部，互连器4以及固体电解质层6在表面露出。另外，如图1A所示，在单电池1的一对圆弧状的侧面m的表面，固体电解质层6露出。导电构件9没有延伸至单电池1的上端以及下端，不露出到单电池1的外部。
以下，对构成单电池1的各构件进行说明。
支承基板2在内部具有供气体流动的气体流路2a。图1A所示的支承基板2的例子具有6个气体流路2a。支承基板2具有透气性，使在气体流路2a中流动的燃料气体透过至燃料极5。支承基板2也可以具有导电性。具有导电性的支承基板2将由发电元件产生的电向互连器4集电。
支承基板2的材料例如包括铁族金属成分以及无机氧化物。铁族金属成分例如可以是Ni(镍)和/或NiO。无机氧化物例如可以是特定的稀土元素氧化物。稀土元素氧化物例如可以包括选自Sc、Y、La、Nd、Sm、Gd、Dy以及Yb中的1种以上的稀土元素。
燃料极5的材料能够使用通常公知的材料。燃料极5也可以使用多孔质的导电性陶瓷，例如包括固溶有氧化钙、氧化镁或者稀土元素氧化物的ZrO2、以及Ni和/或NiO的陶瓷。该稀土元素氧化物例如可以包括选自Sc、Y、La、Nd、Sm、Gd、Dy以及Yb中的多种稀土元素。有时也将固溶有氧化钙、氧化镁或稀土元素氧化物的ZrO2称为稳定化氧化锆。稳定化氧化锆还包括部分稳定化氧化锆。
固体电解质层6是电解质，在燃料极5与空气极8之间进行离子的交接。同时，固体电解质层6具有气体阻隔性，难以产生燃料气体与含氧气体的泄漏。
固体电解质层6的材料例如可以是固溶有3摩尔％～15摩尔％的稀土元素氧化物的ZrO2。稀土元素氧化物例如可以包括选自Sc、Y、La、Nd、Sm、Gd、Dy以及Yb中的1种以上的稀土元素。固体电解质层6例如可以包括固溶有Yb、Sc或Gd的ZrO2，也可以包括固溶有La、Nd或Yb的CeO2，也可以包括固溶有Sc或Yb的BaZrO3，也可以包括固溶有Sc或Yb的BaCeO3。
空气极8具有透气性。空气极8的开气孔率例如可以为20％以上，特别是30％～50％的范围。
空气极8的材料只要是一般用于空气极的材料就没有特别限制。空气极8的材料例如也可以是所谓的ABO3型的钙钛矿型氧化物等导电性陶瓷。
空气极8的材料例如也可以是Sr(锶)和La(镧)共存于A位点的复合氧化物。作为这样的复合氧化物的例子，可举出LaxSr1-xCoyFe1-yO3、LaxSr1-xMnO3、LaxSr1-xFeO3、LaxSr1-xCoO3等。其中，x为0＜x＜1，y为0＜y＜1。
此外，在元件部3具有中间层7的情况下，中间层7具有作为扩散抑制层的功能。若空气极8所包括的Sr(锶)等元素向固体电解质层6扩散，则在该固体电解质层6形成例如SrZrO3等电阻层。中间层7抑制Sr的扩散，难以形成SrZrO3其他具有电绝缘性的氧化物。
中间层7的材料只要是通常用于空气极8与固体电解质层6之间的元素的扩散抑制层的材料就没有特别限制。中间层7的材料例如包括固溶有除Ce(铈)以外的稀土元素的氧化铈(CeO2)。作为该稀土元素，可使用Gd(钆)、Sm(钐)等。
导电构件9位于互连器4与支承基板2之间。导电构件9具有导电性。导电构件9的导电率例如可以是1×102S/m～1×107S/m的范围。
此外，导电构件9含有第一元素。导电构件9例如含有Ce。第一元素的第一电离能以及每摩尔氧的氧化物的生成自由能小于铬。作为第一元素，除了Ce以外，例如可举出Eu、Pr以及Zr等。生成自由能也称为生成吉布斯能。生成自由能例如能够通过“核燃料/原子能材料热力学数据库”等热力学数据库来确认。第一元素也可以作为该元素的氧化物而位于导电构件9中。作为该第一元素的氧化物，例如CeO2、EuO、PrO2、ZrO2符合。以下，将第一元素的氧化物称为第一氧化物。
导电构件9例如也可以含有第一元素中的1种以上。导电构件9也可以包括第一元素以外的元素。导电构件9例如可以含有固溶有Gd(钆)、Sm(钐)等的CeO2，也可以含有固溶有Y(钇)、Yb(镱)等的ZrO2、所谓的稳定化氧化锆或部分稳定化氧化锆。此外，导电构件9也可以含有例如包括Ce2Ti2O7等第一元素的复合氧化物。
此外，导电构件9包括金属粒子。金属粒子例如是金属或合金的粒子等。金属粒子可以包括例如Ni、Cu、Co、Fe以及Ti等金属或合金。Ni、Cu、Co、Fe以及Ti等金属或合金具有高导电率。这些金属或合金具有高导电性，由元件部3发出的电容易通过互连器4进行集电。特别是金属Ni具有高导电性，即使在高温的反应气氛中也能够维持导电性。此外，Ni包括于支承基板2，能够提高互连器4与支承基板2的接合性。
导电构件9也可以包括第一氧化物以外的无机氧化物。作为导电构件9所包括的无机氧化物，例如可举出Ni、Fe、Mn、Co、Zn、Ti、In、Sn、Al、Si、Mg、Ca、Sr以及Ba等的氧化物或复合氧化物、以及Y、Yb、Gd等的稀土类氧化物。导电构件9也可以包括例如氧化钛、氧化钇(Y2O3)等稀土类氧化物、ABO3型的钙钛矿型氧化物、或Y2Ti2O7等复合氧化物。
ABO3型的钙钛矿型氧化物例如可以包括镧铬铁矿系的钙钛矿型氧化物(LaCrO3系氧化物)、镧锶钛系的钙钛矿型氧化物(LaSrTiO3系氧化物)等。这些钙钛矿型氧化物具有导电性，并且即使与含氢气体等燃料气体以及空气等含氧气体接触，也难以被还原、被氧化。
导电构件9也可以相对于导电构件9的合计体积包括20体积％～70体积％的金属粒子、合在一起为30体积％～80体积％的第一氧化物以及无机氧化物。导电构件9的合计体积是指金属粒子、第一氧化物以及无机氧化物的合计体积。第一氧化物相对于导电构件9的合计体积可以为0.1体积％～40体积％，进一步可以为0.5体积％～30体积％。
此外，导电构件9为多孔质，开气孔率例如可以为20％～60％的范围。
此外，导电构件9的热膨胀系数例如能够设为10×10-6/℃～12×10-6/℃的范围。由此，导电构件9的热膨胀系数例如接近与导电构件9相接的互连器4以及支承基板2的热膨胀系数，互连器4在长时间内难以从支承基板2剥离。
此外，从粘接性以及均匀性的观点出发，导电构件9的厚度例如能够设为10μm～200μm的范围。
此外，互连器4是致密质的金属构件，难以产生在支承基板2的内部的气体流路2a中流通的燃料气体、以及在支承基板2的外侧流通的含氧气体的泄漏。互连器4通过导电构件9固定于具有气体流路2a的支承基板2。互连器4可以具有93％以上、特别是95％以上的相对密度。
互连器4含有铬。互连器4例如是不锈钢。互连器4例如可以含有金属氧化物。
在此，使用图2A～图2C对作为金属构件的互连器4以及导电构件9进行说明。图2A～图2C是表示互连器以及导电构件的结构例的剖视图。
如图2A所示，互连器4也可以具有第一层41和第二层42。第二层42例如铬的含有率也可以比第一层41大。第二层42例如含有氧化铬(Cr2O3)。这样，通过互连器4具有第二层42，互连器4的耐久性提高。另外，互连器4可以局部地具有第二层42，也可以不具有第二层42。此外，如图2A所示，第二层42可以位于远离导电构件9的位置，也可以与导电构件9相接。
互连器4的与导电构件9相接的面和从气体流路2a透过支承基板2以及导电构件9后的燃料气体相接。燃料气体是具有还原性的还原性气体，通常在互连器4的与导电构件9相接的面上，第二层42难以生长。但是，燃料气体大多如后所述包括水蒸气。在互连器4的与导电构件9相接的面上，也存在第二层42由于燃料气体中包括的水蒸气的作用而生长、从而单电池1的内部电阻增大的情况。
如上所述，与互连器4相接的导电构件9含有第一元素。由此，第二层42难以生长，因此互连器4能够不易产生伴随第二层42的生长的内部电阻的增大。由此，能够减少单电池1的电池性能的降低。此外，能够使伴随着第二层42的生长的、第一层41所含有的铬比率的减少难以产生。因此，互连器4的耐久性提高，因此能够提高单电池1的耐久性。
若使用不包括第一元素的导电构件9将支承基板2和互连器4粘接，在燃料电池的运行温度下使用，则互连器4的与导电构件9相接的面上的第二层42的厚度为数μm左右，例如为4μm。另一方面，当使用包括第一元素、例如CeO2的导电构件9在燃料电池的运行温度下使用时，第二层42的厚度小于使用不包括第一元素的导电构件的情况。例如，导电构件9包括1体积％的CeO2的情况下的第二层42的厚度成为约3μm，导电构件9包括30体积％的CeO2的情况下的第二层42的厚度成为1μm以下。Cr2O3的导电率大致为1S/m～4S/m。
例如，包括50体积％的作为金属粒子的Ni以及50体积％的作为无机氧化物粒子的TiO2(氧化钛)的导电构件9的导电率为4×105S/m。包括35体积％的Ni、35体积％的TiO2(氧化钛)以及30体积％的作为第一氧化物的CeO2(氧化铈)的导电构件9的导电率为7×102S/m。通过第二层42因第一元素而变薄，使用了包括第一元素的导电构件9的单电池的内部电阻小于使用不包括第一元素的导电构件9的单电池的内部电阻。
此外，互连器4也可以具有进一步的层叠构造。如图2B所示，互连器4还可以具有涂层43。
涂层43包括与作为基材的第一层41以及第二层42不同的元素。涂层43的表面于氧化气氛露出。由此，例如能够减少互连器4所含有的铬的释放。因此，互连器4的耐久性提高，因此能够提高单电池1的耐久性。
此外，涂层43例如也可以含有包括Mn(锰)以及Co(钴)的氧化物。以下，将包括Mn以及Co的氧化物称为第二氧化物。第二氧化物具有电子传导性。第二氧化物具有比Cr2O3以及第一氧化物高的导电性。第二氧化物例如也可以具有比Cr2O3高100倍的导电率。第二氧化物中所包括的Mn的摩尔比可以比Co的摩尔比大。涂层43例如可以含有Mn、Co以及O的摩尔比为1.66：1.34：4的第二氧化物。通过含有具有这样的组成的第二氧化物，与例如具有含有Mn、Co以及O的摩尔比为1.5∶1.5∶4的第二氧化物的涂层43的情况相比，能够提高互连器4的耐久性。另外，Mn、Co以及O的摩尔比能够基于使用了X射线衍射装置(XRD)的晶相的鉴定来计算。此外，第二氧化物也可以含有Mn以及Co以外的元素，例如Zn(锌)、Fe(铁)、Al(铝)。涂层43可以不含有第一元素，也可以含有。
此外，涂层43也可以为多孔质。涂层43例如气孔率可以为5％以上且40％以下。这样，通过互连器4具有多孔质的涂层43，能够缓和互连器4从外部受到的应力。因此，互连器4的耐久性提高，因此能够提高单电池1的耐久性。
此外，导电构件9也可以具有层叠构造。如图2C所示，导电构件9也可以具有第一层91以及第二层92。
第一层91与互连器4相接。第二层92与支承基板2相接。第一层91以及第二层92的组成不同。第一层91含有第一元素。通过含有第一元素的第一层91与互连器4相接，互连器4的第二层42更加难以生长，因此互连器4更难以产生伴随第二层42的生长的内部电阻的增大。由此，能够进一步减少电池1的电池性能的降低。
第二层92可以含有第一元素，也可以不含有。在含有第一元素的情况下，第一元素的含有率可以比第一层91小。
此外，如图2C所示，第一层91可以与互连器4相接，也可以与互连器4分离。在第一层91与互连器4分离的情况下，第一层91只要位于比支承基板2更靠近互连器4的互连器4侧即可。由此，互连器4的第二层42难以生长，因此互连器4更难以产生伴随第二层42的生长的内部电阻的增大。由此，能够减少单电池1的电池性能的降低。
<单电池堆装置的结构>
接下来，参照图3A～图3C对使用了上述的单电池1的本实施方式所涉及的电化学单电池装置进行说明。图3A是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池装置的一例的立体图，图3B是图3A所示的X-X线的剖视图，图3C是表示第一实施方式所涉及的电化学单电池装置的一例的俯视图。
如图3A所示，单电池堆装置10具备具有在单电池1的厚度方向T(参照图1A)排列(层叠)的多个单电池1的单电池堆11和固定构件12。
固定构件12具有固定材料13和支承构件14。支承构件14支承单电池1。固定材料13将单电池1固定于支承构件14。此外，支承构件14具有支承体15和气体罐16。作为支承构件14的支承体15以及气体罐16例如为金属制。
如图3B所示，支承体15具有供多个单电池1的下端部插入的插入孔15a。多个单电池1的下端部与插入孔15a的内壁由固定材料13接合。
气体罐16具有通过插入孔15a向多个单电池1供给反应气体的开口部和位于该开口部的周围的凹槽16a。支承体15的外周的端部通过填充于气体罐16的凹槽16a的接合材料21而与气体罐16接合。
在图3A所示的例子中，在由作为支承构件14的支承体15和气体罐16形成的内部空间22中贮存燃料气体。气体罐16与气体流通管20连接。燃料气体通过该气体流通管20向气体罐16供给，从气体罐16向单电池1的内部的气体流路2a(参照图1A)供给。向气体罐16供给的燃料气体由后述的重整器102(参照图4)生成。
富氢的燃料气体能够通过对原燃料进行水蒸气重整等而生成。在通过水蒸气重整生成燃料气体的情况下，燃料气体包括水蒸气。
在图3A所示的例子中，单电池堆装置10具备两列单电池堆11、两个支承体15以及气体罐16。两列单电池堆11分别具有多个单电池1。各单电池堆11固定于各支承体15。气体罐16在上表面具有两个贯通孔。在各贯通孔中配置有各支承体15。内部空间22由一个气体罐16和两个支承体15形成。
插入孔15a的形状例如俯视为长圆形状。插入孔15a例如单电池1的排列方向即厚度方向T的长度大于位于单电池堆11的两端的两个端部集电构件17之间的距离。插入孔15a的宽度例如大于单电池1的宽度方向W(参照图1A)的长度。
如图3B所示，在插入孔15a的内壁与单电池1的下端部的接合部填充固定材料13并固化。由此，插入孔15a的内壁与多个单电池1的下端部分别接合/固定，此外，单电池1的下端部彼此接合/固定。各单电池1的气体流路2a在下端部与支承构件14的内部空间22连通。
固定材料13以及接合材料21能够使用玻璃等导电性低的材料。作为固定材料13以及接合材料21的具体的材料，可以使用非晶质玻璃等，特别是也可以使用晶体化玻璃等。
作为晶体化玻璃，例如可以使用SiO2-CaO系、MgO-B2O3系、La2O3-B2O3-MgO系、La2O3-B2O3-ZnO系、SiO2-CaO-ZnO系等材料中的任一种，特别是可以使用SiO2-MgO系的材料。
此外，如图3B所示，在多个单电池1中的相邻的单电池1之间夹设有连接构件18。连接构件18将相邻的一方的单电池1的燃料极5与另一方的单电池1的空气极8电串联连接。更具体而言，连接构件18将与相邻的一方的单电池1的燃料极5电连接的互连器4和另一方的单电池1的空气极8连接。
此外，如图3B所示，端部集电构件17与位于多个单电池1的排列方向上的最外侧的单电池1电连接。端部集电构件17与向单电池堆11的外侧突出的导电部19连接。导电部19对通过单电池1的发电产生的电进行集电并向外部引出。另外，在图3A中，省略了端部集电构件17的图示。
此外，如图3C所示，单电池堆装置10中，两个单电池堆11A、11B串联连接，作为一个电池发挥功能。因此，单电池堆装置10的导电部19被区分为正极端子19A、负极端子19B以及连接端子19C。
正极端子19A是将单电池堆11发出的电力向外部输出的情况下的正极，与单电池堆11A中的正极侧的端部集电构件17电连接。负极端子19B是将单电池堆11发出的电力向外部输出的情况下的负极，与单电池堆11B中的负极侧的端部集电构件17电连接。
连接端子19C将单电池堆11A中的负极侧的端部集电构件17与单电池堆11B中的正极侧的端部集电构件17电连接。
<模块>
接下来，使用图4对使用了上述单电池堆装置10的本公开的实施方式所涉及的模块100进行说明。图4是表示第一实施方式所涉及的模块的外观立体图，表示取下作为收纳容器101的一部分的前表面以及后表面并将收纳于内部的燃料电池的单电池堆装置10向后方取出的状态。
如图4所示，模块100具备收纳容器101以及收纳于收纳容器101内的单电池堆装置10。此外，在单电池堆装置10的上方配置有重整器102。
该重整器102对天然气、煤油等原燃料进行重整而生成燃料气体，并向单电池1供给。原燃料通过原燃料供给管103供给至重整器102。另外，重整器102也可以具备使水蒸发的蒸发部102a和重整部102b。重整部102b具备未图示的重整催化剂，将原燃料重整为燃料气体。这样的重整器102能够进行效率高的重整反应即水蒸气重整。
而且，由重整器102生成的燃料气体通过气体流通管20、气体罐16以及支承构件14向单电池1的气体流路2a(参照图1A)供给。
此外，在上述结构的模块100中，伴随气体的燃烧以及单电池1的发电，通常发电时的模块100内的温度成为500℃～1000℃左右。
在这样的模块100中，如上所述，通过收纳电池性能提高的单电池堆装置10而构成，能够形成电池性能提高的模块100。
<模块收容装置>
图5是表示第一实施方式所涉及的模块收容装置的一例的分解立体图。本实施方式所涉及的模块收容装置110具备外装壳体111、图4所示的模块100以及未图示的辅机。辅机进行模块100的运行。模块100以及辅机收容在外装壳体111内。另外，在图5中省略一部分结构而示出。
图5所示的模块收容装置110的外装壳体111具有支柱112和外装板113。分隔板114将外装壳体111内上下划分。外装壳体111内的比分隔板114靠上侧的空间是收容模块100的模块收容室115，外装壳体111内的比分隔板114靠下侧的空间是收容运行模块100的辅机的辅机收容室116。另外，在图5中，省略收容于辅机收容室116的辅机而示出。
此外，分隔板114具有用于使辅机收容室116的空气向模块收容室115侧流动的空气流通口117。构成模块收容室115的外装板113具有用于对模块收容室115内的空气进行排气的排气口118。
在这样的模块收容装置110中，如上所述，通过在模块收容室115具备提高电池性能的模块100，能够成为提高电池性能的模块收容装置110。
另外，在上述的实施方式中，例示了使用中空平板型的支承基板的情况，但也能够应用于使用了圆筒型的支承基板的单电池堆装置。
[第二实施方式]
接下来，参照图6～图8对第二实施方式所涉及的电化学单电池以及电化学单电池装置进行说明。
在上述的实施方式中，例示了在支承基板的表面仅设置有一个包括燃料极、固体电解质层以及空气极的元件部的所谓的“纵条纹型”，但能够应用于在支承基板的表面的相互分离的多个部位分别设置有元件部、且相邻的元件部之间电连接的排列了所谓的“横条纹型”的电化学单电池的横条纹型电化学单电池装置。
图6是表示第二实施方式所涉及的电化学单电池的横剖视图，图7是表示第二实施方式所涉及的电化学单电池装置的一例的剖视图，图8是图7所示的区域A的放大图。
如图6所示，第二实施方式所涉及的单电池1A具备支承基板2、一对元件部3以及密封部30。支承基板2是具有一对对置的平坦面即第一面n1及第二面n2、以及连接该第一面n1及第二面n2的一对圆弧状的侧面m的柱状。
一对元件部3相互对置地位于支承基板2的第一面n1以及第二面n2上。此外，密封部30位于覆盖支承基板2的侧面m的位置。
此外，如图7所示，单电池堆装置10A中，多个单电池1A从使得燃料气体流通的配管22a沿着长度方向L延伸。单电池1A在支承基板2上具有多个元件部3。在支承基板2的内部设置供来自配管22a的燃料气体流动的气体流路2a。
此外，各单电池1A经由连接构件31相互电连接。连接构件31位于各单电池1A分别具有的元件部3之间，将相邻的单电池1A连接。具体而言，连接构件31将相邻的单电池1A中的一方的单电池1A的元件部3的空气极8、另一方的单电池1A的燃料极5、以及使用导电构件9电接合的互连器4连接。
此外，如图8所示，互连器4位于将在长度方向L上相邻的元件部3彼此连接的位置。导电构件9位于互连器4与支承基板2之间。
这样，通过使用导电构件9将互连器4与支承基板2粘接，难以产生互连器4从支承基板2的剥离，因此单电池1A的耐久性提高。由此，单电池堆装置10A的电池性能提高。
[第三实施方式]
图9A是表示第三实施方式所涉及的电化学单电池的一例的剖视图。图9B、图9C是表示第三实施方式所涉及的电化学单电池的另一例的剖视图。单电池1B具备金属支承体和元件部3，该金属支承体具有：具有对置的一对第一面n1及第二面n2的金属制的支承基板2以及流路构件32。元件部3配置在支承基板2的第一面n1上，具有燃料极5、固体电解质层6以及空气极8。燃料极5位于支承基板2的第一面n1上，固体电解质层6位于燃料极5上，空气极8位于固体电解质层6上。元件部3也可以在固体电解质层6与空气极8之间具有中间层。
金属支承体具有由支承基板2的配置有元件部3的第一面n1的相反一侧的第二面n2和流路构件32形成的气体流路2a。
作为金属构件的支承基板2具有使在气体流路2a中流动的气体透过燃料极5的透气性。流路构件32具有气体阻隔性，使得气体不在气体流路2a与单电池1B的外部之间流通，即燃料气体与空气等含氧气体不混合。在图9A的例子中，通过支承基板2和具有U字型的截面的流路构件32形成气体流路2a。
支承基板2以及流路构件32例如也可以由一个或者多个金属板构成。金属板的材料可以含有铬。金属板可以具有导电性的覆盖层。支承基板2以及流路构件32将相邻的单电池1B彼此电连接。
在图9A所示的例子中，燃料极5的侧面被固体电解质层6覆盖，将供燃料气体流动的气体流路2a气密地密封。如图9B所示，燃料极5的侧面也可以被致密的密封材料33覆盖并密封。覆盖燃料极5的侧面的密封材料33也可以具有电绝缘性。密封材料33的材料例如可以是玻璃或陶瓷。
此外，如图9C所示，气体流路2a也可以由具有凹凸的流路构件32形成。
图10A是表示图9A所示的区域B的一例的放大图，图10B是表示图9A所示的区域B的另一例的放大图。在图10A以及图10B中，导电构件9将作为金属构件的支承基板2与燃料极5电连接。导电构件9的厚度t1例如能够设为10μm～200μm的范围。
支承基板2例如可以是具有30％以上、特别是35％～50％的范围的开气孔率的平板的多孔质体。此外，如图10B所示，支承基板2也可以是具有在厚度方向上贯通支承基板2的多个贯通孔2b的致密的板。通过支承基板2具有这样的开气孔率或贯通孔2b，供给到气体流路2a的燃料气体能够到达燃料极5。
作为金属构件的支承基板2也可以在第一面n1以及第二面n2中的至少任一个面上具有凹部或凸部。图11A是表示具备在第一面具有凹部的金属构件的电化学单电池的一例的横剖视图。图11B是从图11A所示的金属构件的第一面侧观察的俯视图。如图11A所示，作为金属构件的支承基板2在第一面n1具有凹部2c。这样，在支承基板2在第一面n1具有凹部2c的情况下，凹部2c也可以不与燃料极5相接。即，单电池1B也可以在位于支承基板2的第一面n1的凹部2c与燃料极5之间具有空隙。在这种情况下，第一面n1的凹部2c与燃料极5之间的空隙也可以是气体流路2a。
在图11A所示的单电池1B中，作为金属构件的支承基板2兼用作流路构件32(参照图9A)，支承基板2也可以在第一面n1与第二面n2之间不具有透气性。图11A所示的单电池1B也在第一面n1与燃料极5之间具有导电构件9。如图11A所示，导电构件9位于不具有凹部2c的第一面n1与燃料极5之间。此外，导电构件9也可以遍及与燃料极5相面对的第一面n1的整个面而位于第一面n1与燃料极5之间。在这种情况下，位于凹部2c与燃料极5之间的导电构件9也可以位于远离支承基板2的位置地与燃料极5相接，也可以位于远离燃料极5的位置地与支承基板2的凹部2c相接。
支承基板2是含有铬的金属构件，例如是不锈钢。支承基板2也可以如上述的作为金属构件的互连器4的第二层42那样，具有含有氧化铬(Cr2O3)的第二层。与支承基板2相接的导电构件9含有第一元素。由此，第二层难以生长，因此支承基板2不易产生伴随第二层的生长的内部电阻的增大。由此，能够减少电池1B的电池性能的降低。这样，通过使用导电构件9将作为金属构件的支承基板2与燃料极5粘接，不易产生支承基板2与燃料极5的剥离，因此单电池1B的耐久性提高。
<其他变形例>
接下来，对实施方式的其他变形例进行说明。
在上述实施方式中，作为“电化学单电池”、“电化学单电池装置”、“模块”以及“模块收容装置”的一例，示出了燃料电池单体、燃料电池堆装置、燃料电池模块以及燃料电池装置，但作为其他例子，也可以分别为电解单电池、电解单电池堆装置、电解模块以及电解装置。电解单电池具有氢极以及氧极，通过电力的供给将水蒸气分解为氢和氧。此外，在上述实施方式中，作为电化学单电池的电解质材料的一例，示出了氧化物离子导体或氢离子导体，但电解质材料也可以是氢氧化物离子导体。
此外，在上述实施方式中，说明了导电构件9位于互连器4与支承基板2之间，将互连器4与支承基板2粘接，但作为其他例子，导电构件9也可以位于互连器4与燃料极5之间，将互连器4与燃料极5粘接。支承基板2以及燃料极5在为具有导电性且供燃料气体透过的气体透过构件这一点是共通的。
此外，为了使导电构件9难以在氧化气氛中露出，例如也可以在导电构件9的端部配置玻璃等气体密封构件。
以上，对本公开进行了详细说明，但本公开并不限定于上述的实施方式，在不脱离本公开的主旨的范围内，能够进行各种变更、改良等。
如上所述，实施方式所涉及的电化学单电池(单电池1)具备：气体透过构件(支承基板2或者燃料极5)，具有导电性，供还原性气体透过；金属构件(互连器4)，含有铬，与气体透过构件连接；以及导电构件9，位于气体透过构件与金属构件之间。导电构件9为多孔质，含有金属粒子、以及第一电离能及每摩尔氧的氧化物的生成自由能小于铬的第一元素。由此，电池性能提高。
此外，实施方式所涉及的导电构件9具有位于金属构件侧且含有第一元素的第一层91。由此，电池性能提高。
此外，实施方式所涉及的金属粒子包括Ni(镍)。由此，电池性能提高。
此外，实施方式所涉及的第一元素包括Ce(铈)。由此，电池性能提高。
此外，实施方式所涉及的导电构件9还包括氧化钛。由此，电池性能提高。
此外，实施方式所涉及的金属构件具有面向导电构件9的基材和覆盖基材并露出于氧化气氛的涂层43。由此，电池性能提高。
此外，实施方式所涉及的电化学单电池装置(单电池堆装置10)具有具备上述记载的电化学单电池(电池1)的单电池堆11。由此，能够成为能提高电池性能的电化学单电池装置。
此外，实施方式所涉及的模块100具备上述所记载的电化学单电池装置(单电池堆装置10)和收纳电化学单电池装置(单电池堆装置10)的收纳容器101。由此，能够成为能提高电池性能的模块100。
此外，实施方式所涉及的模块收容装置110具备上述所记载的模块100、用于进行模块100的运行的辅机、以及收容模块100以及辅机的外装壳体。由此，能够成为能提高电池性能的模块收容装置110。
应该认为本次公开的实施方式在所有方面都是例示，并不是限制性的。实际上，上述的实施方式能够以多种方式实现。此外，上述实施方式可以在不脱离所附权利要求书以及其主旨的情况下以各种方式进行省略、置换、变更。
-附图标记说明-
1、1A、1B 单电池
2 支承基板
3 元件部
4 互连器
5 燃料极
6 固体电解质层
7 中间层
8 空气极
9 导电构件
10 单电池堆装置
11 单电池堆
12 固定构件
13 固定材料
14 支承构件
15 支承体
16 气体罐
17 端部集电构件
18 连接构件
100 模块
110 模块收容装置。
Claims (10)
1.一种电化学单电池，具备：
气体透过构件，具有导电性，供还原性气体透过；
金属构件，含有铬，与所述气体透过构件连接；以及
多孔质的导电构件，位于所述气体透过构件与所述金属构件之间，
所述导电构件含有金属粒子和第一元素，该第一元素的第一电离能及每摩尔氧的氧化物的生成自由能小于铬。
2.根据权利要求1所述的电化学单电池，其中，
所述导电构件具有位于所述金属构件侧且含有所述第一元素的第一层。
3.根据权利要求1或2所述的电化学单电池，其中，
所述金属粒子包括镍Ni。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电化学单电池，其中，
所述第一元素包括铈Ce。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电化学单电池，其中，
所述导电构件还包括氧化钛。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电化学单电池，其中，
所述金属构件具有面向所述导电构件的基材和覆盖所述基材并露出于氧化气氛的涂层。
7.一种电化学单电池装置，具有单电池堆，该单电池堆具备权利要求1～6中任一项所述的电化学单电池。
8.根据权利要求7所述的电化学单电池装置，其中，
所述金属构件是将相邻的元件部彼此电连接的互连器。
9.一种模块，具备：
权利要求7或8所述的电化学单电池装置；以及
收纳容器，收纳所述电化学单电池装置。
10.一种模块收容装置，具备：
权利要求9所述的模块；
用于进行所述模块的运行的辅机；以及
外装壳体，收容所述模块及所述辅机。
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