JP2002151101A

JP2002151101A - 電気化学装置

Info

Publication number: JP2002151101A
Application number: JP2000349045A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kawasaki; 真司川崎; Kiyoshi Okumura; 清志奥村; Shigenori Ito; 重則伊藤; Takashi Ryu; 崇龍
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】起動や停止時の昇降温に伴うセルの膨張・収縮
による応力を低減する。【解決手段】電気化学装置１Ａは、第一のガスの通路、
第二のガスの通路、第一のガスに接触するべき第一の電
極、第二のガスに接触するべき第二の電極および第一の
電極と第二の電極とを隔離する固体電解質体を備えてお
り、運転時に高温領域２４と低温領域３５とが発現す
る。低温領域３５の横断面の面積が高温領域２４の横断
面の面積よりも小さい。あるいは、低温領域３５に複数
の分岐部２８Ａ、２８Ｂが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学セルを備
えた一体型の電気化学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平１−１２８３５９号公報に記載の
固体電解質型燃料電池においては、ジルコニア製の薄板
の一方の面に燃料極を形成し、他方の面に酸素極を形成
し、このジルコニアの薄板と、中空のセラミックス絶縁
体板とを交互に積層する。これによって、密閉した酸素
室と燃料室とを交互に有する多層セル構造を形成してい
る。そして、この多層セル構造中に、燃料室に燃料を供
給するためのスルーホールと、酸素室に酸素を供給する
ためのスルーホールとを形成している。また、セラミッ
クス絶縁体層中にスルーホール導電体を形成し、これに
よって複数の単電池を並列接続している。また、特開平
１−１２８３６６号公報にも、これと類似の固体電解質
型燃料電池が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】こうしたタイプの固体
電解質型燃料電池は、単位体積当たりの発電量が理論的
には高くなるはずである。また、酸素室、酸素供給用ス
ルーホール、燃料室、燃料供給用スルーホール、単電池
の並列接続用のスルーホール導電体を、一体焼結によっ
て生成させるものである。従って、酸素室、燃料室や酸
素、燃料の供給手段の気密性保持や、各単電池の各電極
の電気的接続について、面倒な問題が少ないはずである
と考えられる。

【０００４】しかし、こうした発電装置においては、燃
料及び空気はセルの内部を通過し、発電に利用された
後、供給口とは反対側にある場所に設置された排出口か
ら排出されていた。この場合には、燃料および空気の供
給口、排出口をシールし、燃料と空気のリークを押さえ
る必要がある。燃料と空気が混じると、その場で燃焼が
起き、発電に利用できる燃料をロスするうえ、燃焼によ
り発生した熱により局所的にセルが加熱され、熱応力に
よる割れが生じる可能性がある。従来の方法では、供給
口と排出口の２カ所をシールするため、装置全体がリジ
ッドに固定され、自由度が減少する。その結果、起動や
停止時の昇降温に伴うセルの膨張・収縮による応力が原
因となり、クラックが生ずるおそれがある。

【０００５】このため、本発明者は、電気化学装置の一
方の端部のみをマニホールドによってリジッドに固定す
る構造も検討した。この場合には、電気化学装置の本体
を両方の端部から引っ張る引っ張り応力はなくなるの
で、前記の熱応力が緩和されるはずである。しかし、実
際に検討を進めてみると、やはり起動や停止時の昇降温
に伴うセルの膨張・収縮により、過大な応力が電気化学
装置に加わる場合のあることを見出した。このような応
力、特に引っ張り応力は、電気化学装置の本体がセラミ
ックスによって形成されている場合には特に重大であ
る。

【０００６】本発明の課題は、セラミックス等からなる
電気化学セルの起動や停止時の昇降温に伴う、セルの膨
張・収縮による応力を低減することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電気化学装
置は、第一のガスの通路、第二のガスの通路、第一のガ
スに接触するべき第一の電極、第二のガスに接触するべ
き第二の電極および第一の電極と第二の電極とを隔離す
る固体電解質体を備えており、運転時に高温領域と低温
領域とが発現するものであり、低温領域の横断面の面積
が高温領域の横断面の面積よりも小さいことを特徴とす
る。

【０００８】こうした電気化学装置によれば、従来の電
気化学装置に比べて、セルの起動、停止に伴う熱サイク
ルによってセル内部に発生する応力、とりわけ引張応力
が低減され、クラックや破壊を防止できる。

【０００９】この点について更に述べる。電気化学装置
は、通常は高温で作動する作動領域（高温領域）と、低
温領域とを備えている。例えば、固体電解質型燃料電池
の場合には、９００−１１００℃程度で作動する高温領
域（発電領域）と、３００℃以下の低温領域とを備えて
いる。他の電気化学装置においても、絶対温度はともか
くとして、相対的に高温の作動領域と、相対的に低温の
領域とがある。高温の作動領域には通常は電極があり、
かつガスが供給されている。電極のない領域は電気化学
的反応が起こらず、不活性であるので、温度が相対的に
低下する。電気化学装置を保持する際には、相対的に低
温の領域を保持する必要がある。

【００１０】ここで、本発明者は、高温領域と低温領域
との温度差に起因し、従来注目されてこなかった機構に
よって、低温領域を保持した場合に過大な応力が加わ
り、クラック等の原因となることを見出した。この点を
図３（ａ）の模式図に示す。この電気化学装置３３は細
長い直方体形状をしており、高温領域と、端部の低温領
域とを有している。ここで、温度上昇時には、高温領域
において矢印Ｅのように装置の材料が幅方向（横断面方
向）Ｇに膨張する。この際、低温領域においては、高温
領域に比べて膨張量が小さいために、高温領域に比べて
矢印Ｆのように相対的には収縮する。この結果、低温領
域には、横断面Ｇ方向に向かって引張応力が作用し、ク
ラックの原因となる。

【００１１】これに対して、本発明においては、例えば
図３（ｂ）に示すように、電気化学装置１Ａの端部に例
えば一対の分岐部２８Ａ、２８Ｂを設け、これら分岐部
を保持するようにする。この結果、各分岐部２８Ａ、２
８Ｂ、特にその末端面付近において生ずる横断面方向の
変位が小さく、この結果、各分岐部内において発生する
引張応力も減少する。この結果、電気化学装置の起動−
停止に伴う熱サイクルに対する耐久性が著しく向上す
る。

【００１２】なお、高温領域とは、運転時において、本
発明の電気化学装置の作動温度前後に維持されている領
域を指し、好ましくは目的作動温度±１００℃に維持さ
れている領域を意味している。低温領域とは、高温領域
に比べて十分に温度の低い領域を指し、好ましくは３０
０℃以下、更に好ましくは２００℃以下の領域を指して
いる。

【００１３】本発明においては、低温領域の横断面の面
積を高温領域の横断面の面積よりも小さくする。ここ
で、低温領域の横断面の面積は、高温領域の横断面の面
積の０．７倍以下であることが好ましく、０．５倍以下
であることが一層好ましい。

【００１４】ここで、横断面とは、電気化学装置の本体
の横断面を意味しており、縦断面に対立する用語であ
る。通常は、電気化学装置において互いに直交する２つ
の断面のうち、面積の小さい方の断面である。

【００１５】あるいは、本発明においては、低温領域に
複数の分岐部が設けられている。各分岐部の間には空隙
が設けられていることが好ましい。この場合には、低温
領域の横断面の面積は、各分岐部の横断面の面積の総和
となるので、高温領域の横断面の面積に比べて空隙の分
だけ小さくなるはずである。

【００１６】分岐部の個数や形態は特に限定されない。
また、空隙の大きさも特に限定されない。ただし、分岐
部内における前記の引張応力を抑制するという観点から
は、各分岐部の横断面方向の面積は２０ｍｍ以下である
ことが好ましく、１０ｍｍ以下であることが一層好まし
い。

【００１７】好ましくは、分岐部が略角棒形状または略
円柱形状をなしている。これらの形態は、分岐部におけ
る引張応力低減の観点から好ましい。

【００１８】また、好適な実施形態においては、分岐部
の付け根に面取り部ないし湾曲面が形成されている。即
ち、各分岐部の付け根には、局所的に応力が集中し易
く、破壊の開始点となりやすい。このため、各付け根部
分に面取り部を形成することによって、こうした応力を
分散し、破壊の開始点となるのを抑制する。こうした面
取り部としては、いわゆるＣ面、Ｒ面が挙げられるが、
これらには限定されない。

【００１９】分岐部を設けることなく、低温領域の横断
面の面積を高温領域の横断面の面積よりも小さくするこ
とも可能である。このためには、例えば低温領域の幅と
厚さとの一方または双方を、高温領域の幅と厚さとの一
方または双方よりも小さくすることが好ましい。

【００２０】好ましくは、電気化学装置が細長い形状を
しており、その一端の低温領域を保持し、他端は保持し
ない。なお、ここで細長いとは、縦横比が３倍以上のも
のは含む。

【００２１】好適な実施形態においては、低温領域に第
一のガスの供給口および第二のガスの供給口が設けられ
ている。また、好適な実施形態においては、低温領域に
第一のガスの排出口および第二のガスの排出口が設けら
れている。この場合には、低温領域においてマニホール
ドを設け、第一のガスと第二のガスとを分離する必要が
ある。

【００２２】好適な実施形態においては、本装置に周壁
部を設け、周壁部の内側に固体電解質体を設ける。そし
て、固体電解質体の一方の面側に複数個の第一の電極を
設け、固体電解質体の他方の面側に複数個の第二の電極
を設け、各第一の電極と第二の電極とによってそれぞれ
電気化学セルを構成する。第一のガスの供給口および第
一のガスの排出口に連通する第一のガス通路を固体電解
質層の一方の面側に形成し、第二のガスの供給口および
第二のガスの排出口に連通する第二のガス通路を固体電
解質体の他方の面側に形成する。

【００２３】このように、周壁部に内蔵した固体電解質
層に、複数の電気化学セルを形成し、これら複数のセル
の一方の側に第一のガス通路を形成し、他方の側に第二
のガス通路を形成し、周壁部の一方の端部に各ガス通路
の供給口と排出口とを集めることを想到した。これによ
って、電気化学セルの空間的な密度を高めることができ
る。これと共に、電気化学装置の一方の端部付近を保持
し、一方の端部側で第一のガスと第二のガスとを気密に
シールすることができる。

【００２４】以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更
に詳細に説明する。

【００２５】図１（ａ）は、本発明の好適実施形態に係
る装置１Ａの外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は装
置１Ａの端部を保持板３１に取り付けた状態を示す斜視
図である。

【００２６】装置１Ａの端部には、図３（ｂ）に示すよ
うに、一対の分岐部２８Ａと２８Ｂとが設けられてい
る。本例では、各分岐部は略四角柱形状をしている。分
岐部２８Ａと２８Ｂとの間には細長い空隙２９が形成さ
れている。また、分岐部２８Ａ、２８Ｂの付け根には湾
曲面３０が形成されている、この湾曲面３０はＲ面であ
る。

【００２７】装置１Ａの一方の端部１ａ側の端面（各分
岐部２８Ａ、２８Ｂの端面）５に、第一のガスの供給口
３Ａ、排出口３Ｂ、第二のガスの供給口４Ａ、排出口４
Ｂが開口している。Ａ、Ｂは第一のガスの流れであり、
Ｃ、Ｄは第二のガスの流れである。１ｂは他方の端部で
ある。２Ａは、装置の表面に現れたスルーホール導電体
である。

【００２８】図２に示すように、保持板３１にはたとえ
は一対の貫通孔３２が形成されており、各貫通孔３２内
に、各分岐部２８Ａ、２８Ｂの末端部分が挿入され、固
定されている。なお、図示しないマニホールドを設け、
各口３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂを気密にシールする。

【００２９】本実施形態においては、各ガスの供給口お
よび排出口は、近傍領域にある必要がある。これは、一
つのマニホールドによって保持およびガス分離が可能な
ほどに接近して位置していることを意味しており、その
接近の度合いは当業者であれば理解できる。しかし、一
般的には、それぞれの間隔が２０ｍｍ以内であることが
好ましい。

【００３０】また、好適な実施形態においては、装置の
周壁部が細長い形状を有しており、各ガスの供給口およ
び排出口が周壁部の一方の端部側にある。ここで、細長
いとは、縦横比率が３倍以上の形状を指しており、５倍
以上であることが更に好ましい。

【００３１】また、図３（ｃ）に示す装置１Ｂのよう
に、四角柱形状の各分岐部２８Ｃ、２８Ｄを設けること
ができる。ここで、各分岐部２８Ｃ、２８Ｄの付け根部
分には面取りがなされていない。

【００３２】以下は、装置１Ａの内部の具体的な好適形
態を示すものである。

【００３３】図４は、装置１Ａの各部品を示す平面図で
あり、図５は、層状の固体電解質体１４を第一の電極側
から見た平面図であり、図６は、固体電解質体１４を第
二の電極側から見た平面図であり、図７は、図５におい
てＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って切ってみた縦断面図であ
り、図８は、図５においてＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿っ
て切ってみた縦断面図であり、図９は、図５においてＩ
Ｘ−ＩＸ線に沿って切ってみた横断面図であり、図１０
は、図５においてＸ−Ｘ線に沿って切ってみた横断面図
である。

【００３４】この装置は、複数の電気化学セル２５を備
えた高温領域２４と、高温領域２４を包囲する周壁部２
３とからなる。運転時には、高温領域２４のほぼ全体
は、電気化学セルの作動温度に維持されている。周壁部
２３のうち、高温領域２４に近い領域の温度は比較的に
高く、周壁部のうち端部に近い領域３５（図７、図８、
図１、図２参照）の温度は十分に低くなっており，低温
領域を構成している。

【００３５】本装置の全体は、例えばグリーンシート積
層法によって作製されている。図４は、各層状部分の構
成を示す。装置１Ａは、平板形状の隔壁部１１、通路成
形部１２、複数のセルが形成されたセル層１４、通路成
形部１７および隔壁部１９を備えている。

【００３６】セル層１４は、固体電解質層１５を備えて
いる。固体電解質層１５の一方の面１５ａの上面側に
は、主として図５に示すように、第一の電極１６Ａ、１
６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、１６Ｆ、１６Ｇ、１６
Ｈ、１６Ｉ、１６Ｊが形成されている。固体電解質層１
５の他方の面１５ｂ側には、図６に示すように、第二の
電極２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０
Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ、２０Ｉ、２０Ｊが形成されてい
る。

【００３７】通路成形部１２と固体電解質層１４とによ
って、第一のガス通路１３Ａ、１３Ｂが形成されてい
る。通路成形部１２の中央には、装置の長手方向に延び
る隔壁１２ａが形成されており、これによって細長い２
つの通路１３Ａ、１３Ｂが成形されている。１３Ａが往
路であり、１３Ｂが復路である。電極１６Ａ−１６Ｅは
往路１３Ａに面しており、電極１６Ｆ−１６Ｊは復路１
３Ｂに面している。

【００３８】通路成形部１７と固体電解質層１４とによ
って、第二のガス通路１８Ａ、１８Ｂが形成されてい
る。通路成形部１７の中央には、装置の長手方向に延び
る隔壁１７ａが形成されており、これによって細長い２
つの通路１８Ａ、１８Ｂが成形されている。１８Ａが往
路であり、１８Ｂが復路である。電極２０Ａ−２０Ｅは
往路１８Ａに面しており、電極２０Ｆ−２０Ｊは復路１
８Ｂに面している。

【００３９】第一のガスは、供給口３Ａから入り、往路
１３Ａ、復路１３Ｂを通り、排出口３Ｂから排出され
る。第二のガスは、供給口４Ａから入り、往路１８Ａ、
復路１８Ｂを通り、排出口４Ｂから排出される。

【００４０】各第一の電極１６Ａ−１６Ｊは、固体電解
質層１５を挟んで各第二の電極２０Ａ−２０Ｊと対向し
ており、これによって各セル２５を構成している。そし
て、固体電解質層１５を貫通するスルーホール導電体２
２が、隣接するセル２５間に形成されている。そして、
あるセル２５の一方の電極が、隣接するセルの他方の電
極に対して、スルーホール導電体２２を介して接続され
ている。

【００４１】本装置を固体電解質型燃料電池に適用した
場合について、電気的接続および発電の態様を説明す
る。まず、特に図７に示すように、スルーホール導電体
２Ａ、２Ｂおよび２Ｃは接続されている。最も下にある
スルーホール導電体２Ｃは、第二の電極２０Ａに接続さ
れている。そして、往路においては、電極２０Ａ、２０
Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅが、それぞれ電極１６Ａ、
１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅと各単電池２５を構成
する。各セル２５の電極１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６
Ｄは、それぞれ隣接するセルの電極２０Ｂ、２０Ｃ、２
０Ｄ、２０Ｅに対して、スルーホール導電体２２を介し
て接続されている。往路の末端のセルの電極１６Ｅは、
復路のセルの電極２０Ｆに対して、図示しないスルーホ
ール導電体を介して接続されている。

【００４２】復路においては、図８に示すように、電極
２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ、２０Ｉ、２０Ｊが、それぞれ
電極１６Ｆ、１６Ｇ、１６Ｈ、１６Ｉ、１６Ｊと各単電
池２５を構成する。各セル２５の電極１６Ｆ、１６Ｇ、
１６Ｈ、１６Ｉは、それぞれ隣接するセルの電極２０
Ｇ、２０Ｈ、２０Ｉ、２０Ｊに対して、スルーホール導
電体２２を介して接続されている。復路の末端のセルの
電極１６Ｊは、図１０に示すように、周壁部内のスルー
ホール導電体２Ｄ、２Ｅ、２Ｆを介して、図示しない外
部端子に接続されている。

【００４３】こうした装置によれば、セルの集積効率を
高くし、例えば発電密度を著しく向上させるのと共に、
装置の一端のみを保持することで、第一のガスと第二の
ガスとを気密に分離できる。

【００４４】図１１の実施形態に係る装置１Ｃにおいて
は、各分岐部２８Ｅ、２８Ｆが、それぞれ略円柱形状を
なしている。分岐部２８Ｅには、例えば供給口３Ａおよ
び４Ａが設けられており、分岐部２８Ｆには、排出口３
Ｂ、４Ｂが設けられている。

【００４５】好ましくは、電気化学セルを構成する固体
電解質層と周壁部とを同種のセラミック固体電解質材料
によって形成し、一体化させる。これによって、同種の
固体電解質材料からなる一体の構造体を生成させる。例
えば熱応力が加わったときには、この構造体が、全体と
して一つの骨格として作用し、構造体の各部分がほぼ同
じように変形する。

【００４６】このような構造体に熱サイクルが加わわる
と、固体電解質層上の各電極は、固体電解質層の熱膨
張、収縮に追従して変形する。これと同時に、周壁部内
のスルーホール導電体は、周壁部の熱膨張、収縮に追従
して変形する。この際、周壁部と各固体電解質層とを前
記したように一体の同種材料からなる骨格として形成す
ることで、固体電解質層上の各電極とスルーホール導電
体の端面との位置ズレがほとんどなくなる。特に、電極
の面内方向における位置ずれを消去できる。

【００４７】周壁部を構成するセラミック固体電解質材
料と固体電解質層を構成する材料とが同種であるとは、
その基本成分が同じであることを意味している。複数の
基本成分がある場合には、複数の基本成分が同じであれ
ば、各基本成分の構成比率が異なっていたとしても、や
はり同種のセラミックスであると言える。また、少量の
ドープ成分については異動があっても差し支えない。基
本組成が同じであれば、一体焼結後には、周壁部と固体
電解質層とのセラミックス組織が連続し、継ぎ目は消失
するからである。

【００４８】好ましくは、周壁部のセラミックス組織と
固体電解質層のセラミックス組織とが微視的に見て連続
しており、継ぎ目が見えない。

【００４９】本発明の好適な実施形態においては、固体
電解質層を貫通するスルーホール導電体２２を設け、固
体電解質層において各電気化学セルの第一の電極とこれ
と隣り合う電気化学セルの第二の電極とを、固体電解質
層を貫通するスルーホール導電体２２によって直接接続
する。

【００５０】このように、１枚の固体電解質層において
複数の電気化学セルを直列接続することで、例えば取り
出し電圧を増大させることができ、その分電流値を低減
させることができる。

【００５１】本発明の電気化学セルは、固体電解質型燃
料電池の他、酸素ポンプや高温水蒸気電解セルとして使
用できる。このセルは、水素の製造装置に使用でき、ま
た水蒸気の除去装置に使用できる。更に、本発明のセル
を、ＮＯｘの分解セルとして使用できる。

【００５２】本発明においては、固体電解質層１５を備
えたセル層１４を複数層積層することができ、これによ
って一層セルの集積効率が上がる。この場合には、上下
方向に見て隣接する第一のガス通路と第二のガス通路と
を、セパレータによって分離できる。

【００５３】第一のガスと第二のガスは、同じであって
も、異なっていてもよい。その種類は、酸化性ガス、還
元性ガス、不活性ガスなどがあり、用途によって好まし
い実施形態がある。

【００５４】燃料電池の場合には、第一のガスが酸化性
ガスであり、第二のガスが還元性ガスである。酸化性ガ
スとしては、空気や酸素などがある。また、還元性ガス
としては、水素やメタン、一酸化炭素などを含むガスを
例示できる。燃料電池では、第一の電極が電位が高く、
陽極であり、第二の電極は電位が低く、陰極である。こ
の場合の第一の電極はカソード、第二の電極はアノード
の働きをする。

【００５５】更に、酸素ポンプの場合には、第一、第二
のガスは酸化性であっても、還元性ガスであってもよ
い。たとえば、第一のガスは空気や酸素であり、第二の
ガスが酸素を注入される側のプロセスガスであり、不活
性ガスなどを例示できる。この場合、第一の電極は陰極
でカソードとして働き、また、第二の電極は陽極でアノ
ードとして働く。

【００５６】また、ＮＯｘ分解装置や水蒸気除去装置の
場合、第一のガスは、不活性ガスや空気である。第二の
ガスは、ＮＯｘや水蒸気を含むプロセスガスであり、各
種内燃機関の排ガスの他、不活性ガスや水素、メタンで
ある。この場合、第一の電極は陰極でカソードとして働
き、また、第二の電極は陽極でアノードとして働く。

【００５７】周壁部を構成するセラミックスと、固体電
解質層を構成するセラミックスとの間で、ドープ成分が
異なっている場合には、異なっているドープ成分の重量
比率は全体の１０重量％以下であることが好ましい。

【００５８】固体電解質材料としては、イットリア安定
化ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア、酸化
セリウム系セラミックスの他、スカンジア安定化ジルコ
ニア、イッテルビア安定化ジルコニア、ランタンガレー
トを例示できる。

【００５９】陽極の主原料は、ランタンを含有するペロ
ブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタ
ンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが
更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。
ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウ
ム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等
をドープしたものであってよい。

【００６０】陰極の主原料は、ニッケル、酸化ニッケ
ル、ニッケル─ジルコニア混合粉末、酸化ニッケル─ジ
ルコニア混合粉末、パラジウム、白金、パラジウム−ジ
ルコニア混合粉末、白金─ジルコニア混合粉末、ニッケ
ル−セリア、酸化ニッケル−セリア、パラジウム−セリ
ア、白金−セリアの各混合粉末等が好ましい。

【００６１】スルーホール導電体の材質は、鉄、コバル
ト、ニッケル、銅、アルミニウム、珪素、金、銀、白
金、パラジウム、ルテニウム、モリブデン、タングステ
ンなどの金属、ランタンクロマイト、ランタンコバルタ
イト、ランタンマンガナイトなどの導電性セラミック
ス、前記した金属とセラミックスとの複合材料、前記し
た導電性セラミックスとセラミックスとの複合材料が好
ましい。

【００６２】本発明の電気化学装置の製造方法は限定さ
れないが、生産性の観点からは、グリーンシート積層法
によって製造することが特に好ましい。この際には、図
４に示すような各層を、ドクターブレード法、プレス
法、押し出し法等によって成形して各グリーンシートを
作製し、これを積層し、焼結させる。

【００６３】成形の際に使用できる有機バインダーとし
ては、ポリメチルアクリレート、ニトロセルロース、ポ
リビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロ
ース、スターチ、ワックス、アクリル酸ポリマー、メタ
クリル酸ポリマーを例示できる。造孔材としては、セル
ロース、カーボン、アクリルパウダー等を例示できる。

【００６４】図１−図１０を参照しつつ説明した装置１
Ａを製造し、発電試験を行った。ただし、固体電解質層
は８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニアによって形成
し、第二の電極はニッケル−ジルコニアサーメットによ
って形成し、第一の電極はランタンストロンチウムマン
ガマイトによって形成した。第二のガスとして４％ H₂
（残部窒素）を流し、第一のガスとして空気を流した。

【００６５】装置１Ａの全体の寸法は、幅４０ｍｍ、長
さ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍである。また、分岐部２８
Ａ、２８Ｂの幅はそれぞれ１５ｍｍであり、長さは４０
ｍｍであり、厚さは５ｍｍである。分岐部２８Ａと２８
Ｂとの間隔は１０ｍｍである。各分岐部の末端面５から
２０ｍｍの位置を保持板３１によって保持した。保持板
はステンレスによって形成し、保持板３１と各分岐部と
の間はシリコーンゴムによって封止した。

【００６６】３００℃／時間の速度で１０００℃まで昇
温した。１０００℃に達した後、第二のガスを加湿水素
に切り替え、４時間発電を行った。各分岐部の保持板と
のシール部分の温度は２００℃以下に保持された。発電
終了後、３００℃／時間の速度で室温まで降温した。以
上のサイクルを５回行った。熱サイクル後の装置につい
て、第１のガス、第２のガス共にアルゴンを用い、それ
ぞれの排出口を気密に封じて、供給口からガスを供給し
続け、内圧が０．５ａｔｍに達した後、ガス供給を中止
し、内圧の圧力変化で装置の気密性を評価した。その結
果、１５分間経過後も、内圧に変化は認められなかっ
た。

【００６７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、起
動や停止時の昇降温に伴うセルの膨張・収縮による応力
を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気化学装置１Ａの外観を示す斜視図である。

【図２】電気化学装置１Ａおよびこれを取り付けるため
の保持板３１を示す斜視図である。

【図３】（ａ）は、従来の電気化学装置の末端部分にお
ける引張応力の発生機構を示す概念図であり、（ｂ）
は、本発明の電気化学装置１Ａの末端部分における引張
応力の発生機構を示す概念図であり、（ｃ）は、本発明
の装置１Ｂの端部形態を示す平面図である。

【図４】装置１Ａの各部品を示す平面図である。

【図５】層状の固体電解質体１５を第一の電極側から見
た平面図である。

【図６】固体電解質体１５を第二の電極側から見た平面
図である。

【図７】図５においてＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って切って
みた縦断面図である。

【図８】図５においてＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿って切
ってみた縦断面図である。

【図９】図５においてＩＸ−ＩＸ線に沿って切ってみた
横断面図である。

【図１０】図５においてＸ−Ｘ線に沿って切ってみた横
断面図である。

【図１１】本発明の実施形態に係る装置１Ｃを概略的に
示す斜視図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ電気化学装置２Ａ、２Ｂ、
２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ周壁部２３内のスルーホール
導電体３Ａ第一のガスの供給口３Ｂ
第一のガスの排出口４Ａ第二のガスの供給
口４Ｂ第二のガスの排出口５周壁部の端面
６装置の主面１１、１９隔壁部
１２、１７通路成形部１２ａ、１７ａ
往路と復路とを区分する隔壁１３Ａ第一のガ
ス通路の往路１３Ｂ第一のガス通路の復路
１４セル層１５固体電解質層
１６Ａ−１６Ｊ第一の電極１８Ａ第二のガ
ス通路の往路１８Ｂ第二のガス通路の復路
２０Ａ−２０Ｊ第二の電極２３周壁
部２４機能部（高温領域）２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ、２８Ｅ、２８Ｆ分
岐部２９空隙３０面取り部３１保持板３２保
持板の貫通孔３５低温領域

フロントページの続き (72)発明者伊藤重則愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者龍崇愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CV02 CV05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一のガスの通路、第二のガスの通路、前
記第一のガスに接触するべき第一の電極、前記第二のガ
スに接触するべき第二の電極および前記第一の電極と第
二の電極とを隔離する固体電解質体を備えており、運転
時に高温領域と低温領域とが発現する電気化学装置であ
って、前記低温領域の横断面の面積が前記高温領域の横断面の
面積よりも小さいことを特徴とする、電気化学装置。
【請求項２】第一のガスの通路、第二のガスの通路、前
記第一のガスに接触するべき第一の電極、前記第二のガ
スに接触するべき第二の電極および前記第一の電極と第
二の電極とを隔離する固体電解質体を備えており、運転
時に高温領域と低温領域とが発現する電気化学装置であ
って、前記低温領域に複数の分岐部が設けられていることを特
徴とする、電気化学装置。
【請求項３】隣接する前記分岐部の間に空隙が設けられ
ていることを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項４】前記低温領域を保持するための保持部材を
備えていることを特徴とする、請求項１−３のいずれか
一つの請求項に記載の装置。
【請求項５】前記低温領域に前記第一のガスの供給口お
よび前記第二のガスの供給口とが設けられていることを
特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記
載の装置。
【請求項６】前記低温領域に前記第一のガスの排出口お
よび前記第二のガスの排出口とが設けられていることを
特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記
載の装置。
【請求項７】前記分岐部が略角棒形状または円柱形状を
なしていることを特徴とする、請求項２−６のいずれか
一つの請求項に記載の装置。
【請求項８】前記分岐部の付け根に面取り部が形成され
ていることを特徴とする、請求項２−７のいずれか一つ
の請求項に記載の装置。
【請求項９】周壁部を備えており、この周壁部の内側に
前記固体電解質体が設けられており、前記固体電解質体
の一方の面側に前記第一の電極が複数個設けられてお
り、前記固体電解質体の他方の面側に前記第二の電極が
複数個設けられており、各第一の電極が対応する各第二
の電極と共にそれぞれ電気化学セルを構成しており、前
記第一のガスの通路が前記固体電解質体の前記一方の面
側に形成されており、前記第二のガスの通路が前記固体
電解質体の前記他方の面側に形成されていることを特徴
とする、請求項６記載の装置。
【請求項１０】前記第一のガス通路に沿って前記電気化
学セルが配列されていることを特徴とする、請求項９記
載の装置。
【請求項１１】隣接する前記電気化学セルが、前記固体
電解質体を貫通するスルーホール導電体によって接続さ
れていることを特徴とする、請求項９または１０記載の
装置。
【請求項１２】前記周壁部が前記固体電解質体と同種の
セラミック固体電解質からなることを特徴とする、請求
項９−１１のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【請求項１３】前記周壁部にスルーホール導電体が設け
られており、このスルーホール導電体に少なくとも１つ
の前記電気化学セルが接続されていることを特徴とす
る、請求項９−１２のいずれか一つの請求項に記載の装
置。