JP2007080756A

JP2007080756A - 電気化学装置

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Publication number: JP2007080756A
Application number: JP2005269507A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ryu; 崇龍; Takenori Ichiki; 武典一木; Shigenori Ito; 重則伊藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】複数の電気化学デバイスをスタックする電気化学装置において、装置内でのガスの上流側と加硫側との間の効率差や温度差を低減できるようにすることである。
【解決手段】電気化学装置は、複数の第一の電気化学デバイス４Ａおよび複数の第二の電気化学デバイス４Ｂを列状に配列してなる。複数の第一の電気化学デバイス４Ａ内にガスを供給する第一のガス供給手段２２Ａ、および複数の第二の電気化学デバイス内にガスを供給する第二のガス供給手段２２Ｂを備えている。複数の第一の電気化学デバイス４Ａ間に第二の電気化学デバイス４Ｂが挟まれており、複数の第二の電気化学デバイス４Ｂ間に第一の電気化学デバイス４Ａが挟まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池などの電気化学装置に関するものである。

固体酸化物形燃料電池は、いわゆる平板型と円筒型とに大別される。特許文献１に記載の有底円筒状固体酸化物形燃料電池においては、有底円筒形状のセラミックス製単電池を複数積層し、集合電池を形成している。単電池内にはチューブを挿入し、チューブから酸化性ガスを流し、酸化性ガスは単電池の開口から外部へと排出される。単電池間の空間には燃料ガスを流す。隣接する単電池間にはニッケルメッシュなどの集電部材を設置し、隣接する単電池を直列接続する。
S.C.Singhal, “Tubular solid oxide fuelcells”, in Proceedings of the Third International Symposium on Solid Oxide FuelCells, 1993.

平板型固体電解質燃料電池では、ガスシール部分がセルの外周部に位置している。例えば、特許文献２の図１２には、平板型の固体酸化物形燃料電池の分解斜視図が示されている。これによると、セラミックス製の固体電解質板、アノードおよびカソードによって平板状の単電池を製造する。そして、このセラミックス製の単電池とセラミックス製のセパレータ板とを交互に積層することによって、スタックを構成する。この際、酸化性ガスを流すための溝と還元性ガスを流すための溝とが、立体的に直角方向に交差するようにする。
特開平６−２９０７９８号公報

平板型燃料電池の場合には、上下方向に多数の平板型単電池を積み重ね、隣接する単電池間をセパレータ（隔離板）で隔離する。そして、隣接する単電池とセパレータとの間の空間に燃料や酸化性ガスを流通させる。しかし、このガスの温度は例えば８００〜１０００℃と高温であり、このためにはマニホ―ルド部分の温度もある程度高温となる。この状態でマニホールドによって多数のガス流路を、酸化性ガスと燃料ガスとが接触しないようにシールすることは難しい。実際の組み立て工程では、多数の平板型単電池を積み重ねて上下方向へと加圧することが必要であるが、このような工程は熟練を必要とし、生産性が低い。

こうした問題を解決するために、本出願人は、特許文献３において、二つの平板状の電気化学素子を貼り合わせて一つの電気化学デバイスを作製することを開示した。このようなデバイスによれば、デバイス内部に例えば酸化ガスを流し、デバイスの外側に燃料ガスを流すことによって、効率を向上させ、また生産性も向上させることができる。
特願２００５−

しかし、このようなタイプの電気化学素子を列状に配列してスタック化する際には、以下の問題点が残されていることが判明してきた。この問題点について、図１（ａ）の模式図を参照しつつ、説明する。

図１（ａ）の模式図に示すように、複数の固定部材１と平板型の電気化学デバイス２とを交互に配列し、列状に並べ、積層一体化してスタックを形成する。ここで、各デバイス２には、ガス供給孔２ａとガス流出孔２ｂとが形成されており、各固定部材１には、各孔２ａ、２ｂとあわせた位置に、それぞれガス通過孔１ａ、１ｂが形成されている。ガス通過孔１ａから矢印Ａのように例えば燃料ガスを供給すると、燃料ガスは矢印Ａのようにガス通過孔１ａ、ガス供給孔２ａを流れるのと共に、素子２内のガス流路を矢印Ｂのように流れ、ガス流出孔２ｂ、ガス通過孔１ｂを矢印Ｃのように流れてシステム外へと排出される。

しかし、このような電気化学装置では、燃料ガスの入り口付近では、ガスの圧力が高いため素子内へのガスの供給が容易に起こるが、燃料は矢印Ａの先の方（図１（ａ）において右の方）に向かうにつれて減損していくので、下流側ではガスの圧力が低下し、素子内へのガス供給が困難になる。このようにガスの素子内への供給量に分布があると、燃料利用率を高くした状態で発電を行った際に、下流側の素子で燃料欠乏が発生し、全体の効率低下を招く。また、燃料欠乏が顕著な場合は、素子の破壊をもたらす。

本発明の課題は、複数の電気化学デバイスをスタックする電気化学装置において、装置内でのガスの上流側と下流側との間のガス供給量の差を低減できるようにすることである。

本発明に係る電気化学装置は、複数の第一の電気化学デバイスおよび複数の第二の電気化学デバイスを列状に配列してなり、
複数の第一の電気化学デバイス内にガスを供給する第一のガス供給手段、および
複数の第二の電気化学デバイス内にガスを供給する第二のガス供給手段を備えており、
複数の第一の電気化学デバイス間に少なくとも一つの第二の電気化学デバイスが挟まれており、
複数の第二の電気化学デバイス間に少なくとも一つの第一の電気化学デバイスが挟まれていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の電気化学デバイスを列状に並べてスタック化するときに、電気化学デバイス中から少なくとも二つのグループ（第一および第二のデバイス）を選択しておき、第一のデバイスに対するガス供給手段と、第二のデバイスに対するガス供給手段とを分離した。そして、第一のデバイスと第二のデバイスとが、基本的には互い違いに配置されるようにした。これによって、ガスの上流側における圧力と、ガスの下流側における圧力との差が小さくなるので、両者の間の素子内へのガス供給量の差を著しく小さくできる。

この点について、図１（ｂ）を参照しつつ、更に説明する。複数の固定部材３と電気化学デバイス４Ａ、４Ｂとが交互に設置されている。第一の電気化学デバイス４Ａと第二の電気化学デバイス４Ｂとは交互に設置されており、隣接する電気化学デバイス間に固定部材３が挟まれている。第一の電気化学デバイス４Ａにおいては、矢印Ａ、Ｂのように流入孔４ａからガスが流入し、ガスが流路内を矢印Ｂのように流れ、流出孔４ｂから矢印Ｃのように流出する。一方、第二の電気化学デバイス４Ｂにおいては、矢印Ｄ、Ｅのように流入孔４ｃからガスが流入し、流路内を矢印Ｅのようにガスが流れ、次いで流出孔４ｄから矢印Ｆのようにガスが流出する。４ｅ、４ｆはガス通過孔である。

これによって、流入側のガス経路２２Ａからは例えば図面において２個の電気化学デバイス４Ａに対してガスが供給され、また流入側のガス経路２２Ｂから２個の電気化学デバイスに対してガスが供給される。従って、全体で４個の電気化学デバイスに対してガスを供給しているのにもかかわらず、ガスの圧力低下の度合いは、図１（ａ）の場合に比べて著しく小さくなる。従って、ガスの上流側と下流側との間における圧力の差は小さくすることができる。

本発明においては、複数の第一の電気化学デバイスおよび複数の第二の電気化学デバイスを列状に配列する。ただし、これは電気化学デバイスを少なくとも２種類に分類し、異なるガス供給手段からガスを供給することを意味する。本発明においては、第一および第二の電気化学デバイスに対して更に一種または複数種の電気化学デバイスを選択し、各電気化学デバイスに対してそれぞれ異なるガス供給手段からガスを供給することができる。

ガス供給手段の種類は特に限定されない。例えば各電気化学デバイスに対してそれぞれ対応の主管を設け、主管から個別の各電気化学デバイスに対して枝管を接続することができる。また、電気化学デバイスとは別体のガスマニホールド部材を設け、ガスマニホールド部材上に各電気化学デバイスを設置し、ガスマニホールドから各電気化学デバイスに対してガスを供給することができる。このときに、第一の電気化学デバイスと第二の電気化学デバイスとに対して、それぞれ別系統のガス管からガスを供給する。

また、他の実施形態においては、後述するように、各電気化学デバイスにガス流入孔を設け、隣接する電気化学デバイス間に固定部材を介在させる。そして、この介在する部材にガス通過孔を設け、ガス通過孔をガス流入孔と連通させてガス供給経路を設ける。このガス供給経路を用いて各電気化学デバイスへとガスを分配することができる。

本発明においては、複数の第一の電気化学デバイス間に少なくとも一つの第二の電気化学デバイスが挟まれ、複数の第二の電気化学デバイス間に少なくとも一つの第一の電気化学デバイスが挟まれるようにする。特に好ましくは、第一の電気化学デバイスと第二の電気化学デバイスとを交互に配置するが、必ずしも両者を交互に配置することは必要ない。例えば、２個以上の第一の電気化学デバイスと２個以上の第二の電気化学デバイスとを順に配列することができる。

好適な実施形態においては、第一の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、第二の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、第一の電気化学デバイスのガス通過孔が、第二の電気化学デバイスのガス供給孔と連通している。例えば、図１（ｂ）の例では、第一の電気化学デバイス４Ａが、ガス供給孔４ａ、ガス排出孔４ｂおよびガス通過孔４ｅを備えており、第二の電気化学デバイスが、ガス供給孔４ｃ、ガス排出孔４ｄおよびガス通過孔４ｆを備えている。そして、第一の電気化学デバイスのガス通過孔４ｅが、第二の電気化学デバイスのガス供給孔４ｃと連通し、ガス供給経路２２Ｂを形成している。

また、好適な実施形態においては、更に、第二の電気化学デバイス４Ｂのガス通過孔４ｆが、第一の電気化学デバイス４Ａのガス供給孔４ａと連通しており、ガス供給経路２２Ａを形成している。

また、好適な実施形態においては、更に他の電気化学デバイスを、第一および第二の電気化学デバイス間に介在するように配置することができる。即ち、好適な実施形態においては、デバイス配列体が、複数の第三の電気化学デバイスを含んでいる。そして、複数の第三の電気化学デバイス内にガスを供給する第三のガス供給手段を設ける。複数の第一の電気化学デバイス間に第三の電気化学デバイスが挟まれるようにする。

この場合に、好ましくは、第三の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、第三の電気化学デバイスのガス通過孔が、第一の電気化学デバイスのガス供給孔と連通する。更に好ましくは、第三の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、第三の電気化学デバイスのガス通過孔が、第二の電気化学デバイスのガス供給孔と連通する。

即ち、図２に示すように、複数の固定部材５と、電気化学デバイス６Ａ、６Ｂおよび６Ｃが交互に設置されている。電気化学デバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃはこの順番で交互に設置されており、隣接する電気化学デバイス間に固定部材５が挟まれている。第一の電気化学デバイス６Ａのガス流入孔６ａは、第二および第三の電気化学デバイスのガス通過孔６ｈ、６ｊと連通し、ガス供給経路７Ａを形成している。第二の電気化学デバイス６Ｂのガス流入孔６ｃは、第一および第三の電気化学デバイス６Ａ、６Ｃのガス通過孔６ｇ、６ｊと連通し、ガス供給経路７Ｂを形成している。第三の電気化学デバイス６Ｃのガス流入孔６ｅは、第一および第二のデバイスのガス通過孔６ｇおよび６ｈと連通し、ガス供給経路７Ｃを形成している。

排出側においては、第一の電気化学デバイス６Ａのガス流出孔６ｂは、第二および第三の電気化学デバイスのガス通過孔と連通し、ガス排出経路７Ｄを形成している。第二の電気化学デバイス６Bのガス流出孔６ｄは、第一および第三の電気化学デバイス６Ａ、６Ｃのガス通過孔と連通し、ガス排出経路７Ｅを形成している。第三の電気化学デバイス６Ｃのガス流出孔６ｆは、第一および第二のデバイスのガス通過孔と連通し、ガス排出経路７Ｆを形成している。

第一の電気化学デバイス６Ａにおいては、矢印Ａ、Ｂのように流入孔６ａからガスが流路内に流入し、矢印Ｂのように流路内を流れ、流出孔６ｂから矢印Ｃのように流出する。第二の電気化学デバイス６Ｂにおいては、矢印Ｄ、Ｅのように流入孔６ｃからガスが流入し、流路内を矢印Ｅのようにガスが流れ、次いで流出孔６ｄから矢印Ｆのようにガスが流出する。第三の電気化学デバイス６Ｃにおいては、矢印Ｇ、Ｈのように流入孔６ｅからガスが流入し、流路内を矢印Ｈのようにガスが流れ、次いで流出孔６ｆから矢印Ｊのようにガスが流出する。

これによって、流入側のガス経路７Ａからは、例えば図面において２個の電気化学デバイス６Ａに対してガスが供給され、４個の電気化学デバイス６Ｂ、６Ｃに対してはガスが供給されない。流入側のガス経路７Ｂからは、２個の電気化学デバイス６Ｂに対してガスが供給され、４個の電気化学デバイス６Ａ、６Ｃに対してはガスが供給されない。流入側のガス経路７Ｃからは、２個の電気化学デバイス６Ｃに対してガスが供給され、４個の電気化学デバイス６Ａ、６Ｂに対してはガスが供給されない。

各電気化学デバイスの種類や形態は特に限定されない。また、第一、第二、第三の電気化学デバイスは、それぞれ異なる仕様や設計のものであってよく、ほぼ同様の仕様および設計のものであってよい。

好適な実施形態においては、各電気化学デバイスが、一体化された第一の電気化学素子と第二の電気化学素子とを備えている。そして、第一の電気化学素子および第二の電気化学素子が、それぞれ、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、第一の電極が固体電解質から見て表面側に設けられており、電気化学デバイス内に第二のガスの流路が形成されている。

この実施形態においては、第一の電気化学素子と第二の電気化学素子とが一体化されている。この一体化の方法は特に限定されず、以下の方法が考えられる。
（１）第一および第二の電気化学素子を接着あるいは接合する。
（２）第一および第二の電気化学素子に所定の圧力を加えることによって、ガス漏れが生じない程度に圧着する。

接合材としては以下を例示できる。
第一の電気化学素子と第二の電気化学素子が互いに接合される部分を構成するセラミックス材料と同一材料のスラリー
第一の電気化学素子と第二の電気化学素子が互いに接合される部分を構成するセラミックス材料とほぼ同等の熱膨張係数を持つセラミックス材料のスラリーあるいはガラス材料。

本発明では、電気化学デバイスは好ましくは板状であるが、平板状には限らず、湾曲した板や円弧状の板でもよい。本実施形態では、第一および第二の電気化学素子が、それぞれ、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および第二のガスと接触する第二の電極を備えている。そして、第一の電極が電気化学デバイスの表面側に設けられており、電気化学デバイス内に第二のガスの流路が形成されている。

ここで、第一の電極、第二の電極は、アノードまたはカソードから選択する。これらのうち一方がアノードである場合には、他方はカソードである。これと同様に、第一のガス、第二のガスは、酸化性ガス、還元性ガスから選択する。

酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、Ｈ₂、CO,
CH₄ とこれらの混合ガスを例示できる。

本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、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。また、電気化学セルを、ＮＯｘ、ＳＯｘの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ_２とＯ_２ ⁻とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ_２へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体酸化物形燃料電池である。

固体電解質の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。

高温水蒸気電解セル、NOx、SOx分解セルのアノード、及び固体酸化物形燃料電池のカソードの材質は、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。ランタンコバルタイト及び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（ランタンマンガナイトの場合）、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。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。

高温水蒸気電解セル、NOx、SOx分解セルのカソード、及び固体酸化物形燃料電池のアノードの材質としては、ニッケル、パラジウム、白金、ニッケル−ジルコニアサーメット、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ニッケル−酸化セリウムサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等が好ましい。

隣接する電気化学デバイス間は、例えば集電板によって電気的に接続できる。集電板ーの材質は、例えば、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金等の金属や、ランタンクロマイトなどの導電性セラミックスがある。

各電気化学素子の形態は特に限定されない。電気化学素子は、アノード、カソードおよび固体電解質層の３層からなっていてよい。あるいは、電気化学素子は、アノード、カソードおよび固体電解質層以外に、例えば多孔質体層を有していて良い。

また、好適な実施形態においては、電気化学デバイスが実質的にセラミクッスから形成されている。これによって、デバイスの安定性が高くなり、多数回の熱サイクルに対する電気化学装置全体の安定性が高くなる。

図３は、上述のような実施形態に係る電気化学デバイス６Ａを示す分解斜視図であり、図４（ａ）は、電気化学デバイス６Ａ内の流路を示す正面図であり、図４（ｂ）は、電気化学デバイス６Ａの正面図である。図５は、電気化学デバイス６Ａの縦断面図である。
デバイス６Ａは、一対の電気化学素子１１Ａおよび１１Ｂからなっている。各電気化学素子は、デバイス主面に露出する第一の電極８、固体電解質膜９および流路を形成する第二の電極１０からなっている。これに多孔質板を基材として更に加えることもできる。一対の電気化学素子１１Ａと１１Ｂとを重ね合わせ、適当な方法で一体化する。これによって、平板形状の電気化学デバイス６Ａが得られる。

各素子１１Ａ、１１Ｂの下部にはマニホールド部分２９を設け、マニホールド部分２９にガス流入孔６ａ、ガス通過孔６ｇ、ガス流出孔６ｂを設ける。これらのガス流入孔、ガス流出孔、ガス通過孔のスタック内での機能については前述した（図１（ｂ）、図２参照）。ガス流入孔６ａから矢印Ａのように流入したガスは、曲折した流路１２を流れ、流出孔６ｂから排出される。第一のガスは、デバイス６Ａの外側空間を流れる。

好ましくは、デバイスの内側流路に燃料を流し、外側に大気などの酸化性ガスを流す。これによって、よりコストの高い燃料を効率的に使用することができる。

図６（ａ）は、第二の電気化学デバイス６Ｂにおける流路を示す正面図であり、図６（ｂ）は、第二の電気化学デバイス６Ｂを示す正面図である。デバイス６Ｂは、一対の電気化学素子１１Ａおよび１１Ｂからなっている。各電気化学素子は、デバイス主面に露出する第一の電極８、固体電解質膜９および流路を形成する第二の電極１０からなっている。これに多孔質板を基材として更に加えることもできる。一対の電気化学素子１１Ａと１１Ｂとを重ね合わせ、適当な方法で一体化する。これによって、平板形状の電気化学デバイス６Ｂが得られる。

各素子１１Ａ、１１Ｂの下部にはマニホールド部分２９を設け、マニホールド部分２９にガス流入孔６ｃ、ガス通過孔６ｈ、ガス流出孔６ｄを設ける。これらのガス流孔、ガス流出孔、ガス通過孔のスタック内での機能については前述した（図１（ｂ）、図２参照）。ガス流入孔６ｃから矢印Ｄのように流入したガスは、曲折した流路１２を流れ、流出孔６ｄから排出される。第一のガスは、デバイス６Ｂの外側空間を流れる。本例では、ガス流入孔、ガス流出孔はそれぞれ図面において左端にある。

図７（ａ）は、第三の電気化学デバイス６Ｃにおける流路を示す正面図であり、図７（ｂ）は、第二の電気化学デバイス６Ｃを示す正面図である。デバイス６Ｃは、一対の電気化学素子１１Ａおよび１１Ｂからなっている。各電気化学素子は、デバイス主面に露出する第一の電極８、固体電解質膜９および流路を形成する第二の電極１０からなっている。これに多孔質板を基材として更に加えることもできる。一対の電気化学素子１１Ａと１１Ｂとを重ね合わせ、適当な方法で一体化する。これによって、平板形状の電気化学デバイス６Ｃが得られる。

各素子１１Ａ、１１Ｂの下部にはマニホールド部分２９を設け、マニホールド部分２９にガス流入孔６e、ガス通過孔６ｊ、ガス流出孔６ｆを設ける。これらのガス流孔、ガス流出孔、ガス通過孔のスタック内での機能については前述した（図１（ｂ）、図２参照）。ガス流入孔６ｃから矢印Cのように流入したガスは、曲折した流路１２を流れ、流出孔６ｆから排出される。第一のガスは、デバイス６Ｃの外側空間を流れる。本例では、ガス流入孔、ガス流出孔はそれぞれ図面において左端にある。

次いで、電気化学デバイスのアセンブリ方法について例示する。図８に示すように、デバイスの側面３０上に、導電性セラミック板１３、絶縁性セラミック板１２を貼り合わせることによって、側面からの集電を可能とする。図8では第一の電極の形成位置が左奧まで伸びており、第二の電極との短絡を防ぐために挿入された絶縁板12の外側(図面上の左奧)に配置している集電板13と接続されている。一方、図9では第一の電極の形成位置が右手前まで伸びており、第二の電極との短絡を防ぐために挿入された絶縁板12の外側(図面上の右手前)に配置している集電板13と接続されている。そして、図10に示すように、絶縁性材料からなる固定部材５を、隣接するデバイスの間に設置し、適切な方法で固定し、一体化する。このとき、固定部材５の孔５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆと、デバイスの各ガス流入孔、流出孔、ガス通過孔との位置合わせおよび寸法合わせを行う。絶縁性セラミック板１２は、緻密体であり外側の第一のガスとデバイス内の第二のガスとの気密性を保つ役割もある。

図１１は、このようにして作製された電気化学装置（スタック）を示す斜視図である。
隣接するデバイスの各側面には、それぞれ集電板１５が接合され、電気的に接続されている。そして、集電板１５は、デバイスの設置方向へと向かって交互に設置されている。この時、スタックの奇数列目には、第一の電極が左奧に配置した構造のもの(図8)を、偶数列目には第一の電極が右手前に配置した構造のもの(図9)を使用する。なお、これは第一の電極8、導電性セラミックス板13、絶縁性セラミックス板12の配置に関することで、第一の電気化学デバイス6A, 第二の電気化学デバイス6B, 第三の電気化学デバイス6Cのガス流路構造は、図4、図6、図7のままである。

例えばデバイスをＳＯＦＣとし、デバイスの外側空間に酸化性ガスを流し、内側流路２ａに燃料ガスを流すものとする。この場合には、電子（固体電解質層４内では酸素イオンとして運搬）は、導電板１３からカソード、固体電解質層９を通過してアノード１０へと流れ、アノード１０から導電板１３、集電板１５を通して、隣接するデバイスのカソード８へと流れる。アノードとカソードとが短絡するのを防止するために、絶縁板１２をデバイスの一方の末端に設けている。これによって、各デバイスの直列接続が可能となる。

各部分の寸法については特に限定されないが、例えば以下のようにすることができる。
電気化学素子の厚さ： 0.1〜数ｍｍ
流路形成部材の厚さ： 50μm〜1mｍ
電極基材厚： 0.1〜数ｍｍ
固体電解質膜厚：数〜10μｍ
電極膜厚：数〜 100μｍ
導電板厚： 100μm 〜数ｍｍ

図２〜図１１を参照しつつ説明したような電気化学デバイスを作製し，発電を行った。
（アノード基板１０の作製）
酸化ニッケル粉末と３ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア粉末とに対して、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型を用いてプレス成形し、アノード基板成型体を２枚製作した。

（電解質膜製作）
3ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア粉末よりペーストを作製し、スクリーン印刷により接合したアノード基板１０の主面上に電解質膜９を印刷し、乾燥炉にて乾燥させた。
成形体の上面と底面および後に主面上に形成されるカソード膜が接する側の側面に、3ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニアのスラリーを塗布し絶縁膜１２を形成した。成形体を1400℃で２時間焼成して、電気化学デバイスとする。

（カソード膜８および導電板１３の形成）
ランタンマンガナイト粉末にバインダーと有機溶剤を加え、カソード膜ペーストを製作した。本ペーストを前記デバイスの２主面上に２0μm程度スクリーン印刷することによりカソード９を形成し、オーブンにて乾燥させた。本素子の両側面に別途製作しておいたランタンマンガナイトにて製作された厚み5mmの導電板１３を導電性ペーストにて貼り付けた。これを、1200℃で１時間焼成した。

（スタック化）
電気化学デバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃと厚み1mmのアルミナスピネル（MgO：Al₂O₃比50：50、熱膨張係数：10.5×10^-6）にて製作された絶縁性の固定部材５を交互に配置し、デバイスと固定部材５のガス流入孔および流出孔の位置合わせを行って、互いを溶融ガラスにより接合した。隣接するデバイスの側面下部をランタンマンガナイトにて製作した厚さ5mmの集電部材１５にて導電性ペーストにて接合してスタックを製作した。

（ａ）は、本発明外の電気化学デバイスの配列構造を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスの配列構造を示す模式図である。本発明の他の実施形態に係る電気化学デバイスの配列構造を示す模式図である。電気化学デバイス６Ａの分解斜視図である。（ａ）は、電気化学デバイス６Ａ内の流路を示す正面図であり、（ｂ）は、電気化学デバイス６Ａの正面図である。電気化学デバイス６Ａの縦断面図である。（ａ）は、電気化学デバイス６Ｂ内の流路を示す正面図であり、（ｂ）は、電気化学デバイス６Ｂの正面図である。（ａ）は、電気化学デバイス６Ｃ内の流路を示す正面図であり、（ｂ）は、電気化学デバイス６Ｃの正面図である。電気化学デバイスへの導電板および絶縁板の設置状態を示す分解斜視図である。電気化学デバイスへの導電板および絶縁板の設置状態を示す分解斜視図である。電気化学デバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃのスタック構造を示す斜視図である。電気化学デバイス６Ａ、６Ｂ、６Ｃのスタック構造を示す斜視図である。

符号の説明

３、５固定部材４ａ、４ｅ、６ａ、６ｃ、６ｅガス流入孔４ｂ、４ｄ、６ｂ、６ｄ、６ｆガス流出孔５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、６ｇ、６ｈ、６ｊガス通過孔７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ、２２Ａ、２２Ｂガス供給経路４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ電気化学デバイス

Claims

複数の第一の電気化学デバイスおよび複数の第二の電気化学デバイスを列状に配列してなり、
複数の前記第一の電気化学デバイス内にガスを供給する第一のガス供給手段、および
複数の前記第二の電気化学デバイス内にガスを供給する第二のガス供給手段を備えており、
複数の前記第一の電気化学デバイス間に少なくとも一つの前記第二の電気化学デバイスが挟まれており、複数の前記第二の電気化学デバイス間に少なくとも一つの前記第一の電気化学デバイスが挟まれていることを特徴とする、電気化学装置。
前記第一の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、前記第二の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、前記第一の電気化学デバイスの前記ガス通過孔が、前記第二の電気化学デバイスの前記ガス供給孔と連通していることを特徴とする、請求項１記載の電気化学装置。
前記第二の電気化学デバイスの前記ガス通過孔が、前記第一の電気化学デバイスの前記ガス供給孔と連通していることを特徴とする、請求項２記載の電気化学装置。
更に複数の第三の電気化学デバイスを含んでおり、
複数の前記第三の電気化学デバイス内にガスを供給する第三のガス供給手段を備えており、
複数の前記第一の電気化学デバイス間に少なくとも一つの前記第三の電気化学デバイスが挟まれており、複数の前記第三の電気化学デバイス間に少なくとも一つの前記第一の電気化学デバイスが挟まれ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電気化学装置。
前記第三の電気化学デバイスが、ガス供給孔、ガス排出孔およびガス通過孔を備えており、前記第三の電気化学デバイスの前記ガス通過孔が、前記第一の電気化学デバイスの前記ガス供給孔と連通していることを特徴とする、請求項４記載の電気化学装置。
前記第一の電気化学デバイスおよび前記第二の電気化学デバイスが、それぞれ、一体化された第一の電気化学素子と第二の電気化学素子とを備えており、
前記第一の電気化学素子および前記第二の電気化学素子が、それぞれ、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、前記第一の電極が前記固体電解質から見て表面側に設けられており、前記電気化学デバイス内に前記第二のガスの流路が形成さ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電気化学装置。
前記第三の電気化学デバイスが、一体化された第一の電気化学素子と第二の電気化学素子とを備えており、
前記第一の電気化学素子および前記第二の電気化学素子が、それぞれ、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、前記第一の電極が前記固体電解質から見て表面側に設けられており、前記電気化学デバイス内に前記第二のガスの流路が形成されていることを特徴とする、請求項６記載の電気化学装置。