JP2016195029A - 電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、第1実施形態に係るエネルギーシステム、電気化学装置、電気化学モジュールおよび電気化学素子について図面に基づいて説明する。
図1には、エネルギーシステムおよび電気化学装置の概要が示されている。
エネルギーシステムは、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器23とを有する。
電気化学装置は、電気化学モジュールMと、脱硫器1と改質器4とを有し電気化学モジュールMに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールMから電力を取り出すインバータ8とを有する。
次に、図2を用いて電気化学モジュールMについて説明する。電気化学モジュールMは、電気化学素子Eを複数有し、一の電気化学素子Eの電気化学反応部43における筒状支持体31とは反対側の面と、他の電気化学素子Eの筒状支持体31とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の筒状支持体31の軸を相互に平行とする形態で、複数の電気化学素子Eを並列配置してなる。
図3〜5に電気化学素子Eの概略構成が示されている。電気化学素子Eは、導電性を有する筒状支持体31と、電気化学反応部43とを有し、電気化学反応部43は、膜状の電解質層46と、膜状の燃料極44と、膜状の空気極48とを有し、電解質層46は燃料極44と空気極48との間に配置され、筒状支持体31は、筒状支持体31の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部P2と、筒状支持体31の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部P1とを有し、電気化学反応部43が筒状支持体31の外側に気体通流許容部P2の一部または全部を覆って配置される。
筒状支持体31は、長方形の平板部材32と、長手方向に直交する断面がU字状のU字部材33と、蓋部34とを有する。平板部材32の長辺とU字部材33の長辺(U字の2つの頂点に対応する辺)とが接合され、一方の端部が蓋部34で塞がれている。これにより、内部に空間を有し全体として平板あるいは平棒状の筒状支持体31が構成される。平板部材32は、筒状支持体31の中心軸に対して平行に配置される。
図4および図5に示されるように、電気化学反応部43は、燃料極44、中間層45、電解質層46、中間層47および空気極48を有し、本実施形態においては、この順番にて平板部材32に積層される。なお電気化学素子Eにおいて電気化学反応部43の側方の全部または一部を覆う部材は設けられず、電気化学反応部43の側方は開放されている。
まず、平板部材32に複数の貫通孔38を形成する(図7(a))。貫通孔38の形成は、例えばレーザー加工等により行うことができる。これにより、平板部材32に選択的に気体通流許容部P2(穿孔領域P2)と気体通流禁止部P1とが設けられる。
上述の第1実施形態では、電気化学反応部43は、燃料極44、中間層45、電解質層46、中間層47、空気極48の順に平板部材32に設けられた。そして筒状支持体31の内部に水素ガスを含有する改質ガスがガスマニホールド17から供給され、筒状支持体31の外部にブロア5から空気が供給され、電気化学反応が進行する。
上述した第1実施形態では、筒状支持体31の改質ガス流入口35から流入した改質ガスは、改質ガス通流部36を流れ、反応排ガス排出口37を通って電気化学素子Eの外部に排出された。第3実施形態では、反応排ガスはガスマニホールド17へ導かれ、燃料として再利用される。
上述した第1〜第3実施形態においては、筒状支持体31における気体通流許容部P2は、平板部材32に貫通孔38を形成し穿孔領域P2として設けられていた。そして、電解質層46が気体通流許容部P2の全体を覆って配置され、筒状支持体31の内外の気密を確保していた。
上述した第1〜第4実施形態において電気化学反応部43は、電気化学反応部43をできるだけ長くして電気化学反応を促進するよう、筒状支持体31の軸方向に沿って、反応排ガス排出口37が設けられた端部から、改質ガス流入口35が設けられた端部に渡って形成されている。一方、図12に示される第5実施形態において電気化学反応部43は、筒状支持体31の軸方向に沿って、反応排ガス排出口37が設けられた端部から、筒状支持体31の軸方向の長さの4/5〜5/6の長さに渡って設けられている。
(1)以上の実施形態では、電気化学素子Eが燃料電池セルとして動作して発電した。電気化学素子Eを、水を電気分解して水素を生成する固体酸化物形電解セル(SOEC)として動作させてもよい。
4 :改質器
5 :ブロア(第2気体供給部)
8 :インバータ
17 :ガスマニホールド(第1気体供給部、第3気体供給部)
23 :熱交換器(排熱利用部)
31 :筒状支持体
32 :平板部材(平面部)
38 :貫通孔
43 :電気化学反応部
44 :燃料極
45 :中間層
46 :電解質層
47 :中間層
48 :空気極
61 :気体透過部材
62 :開口部
65 :シール材
E :電気化学素子
E1 :第1電気化学素子
E2 :第2電気化学素子
M :電気化学モジュール
P1 :気体通流禁止部
P2 :気体通流許容部(穿孔領域)
P3 :非配置領域
S :気体供給空間
Claims (24)
- 導電性を有する筒状支持体と、電気化学反応部とを有する電気化学素子であって、
前記電気化学反応部は、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有し、前記電解質層は前記燃料極と前記空気極との間に配置され、
前記筒状支持体は、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部と、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部とを有し、
前記電気化学反応部が前記筒状支持体の外側または内側に前記気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される電気化学素子。 - 前記筒状支持体が金属または金属酸化物である請求項1に記載の電気化学素子。
- 前記筒状支持体が、前記筒状支持体の中心軸に対して平行な平面部を有し、前記電気化学反応部は前記平面部に配置される請求項1または2に記載の電気化学素子。
- 前記空気極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記燃料極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記電解質層が前記気体通流許容部を覆って配置される請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記電解質層の端部に前記筒状支持体の内側と外側との間の気体の通流を防止するシール材が設けられる請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記気体通流許容部は、前記筒状支持体の内側と外側とに連通した複数の貫通孔が設けられている穿孔領域である請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記気体通流許容部は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材を前記筒状支持体の側面に設けられた開口部に固定して形成される請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち一方の端部が前記他の部材に固定されて、前記電気化学素子が前記他の部材に片持ち支持される請求項1〜9のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは前記気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられている請求項1〜10のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは前記気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられており、前記非配置領域のいずれかの部分に前記筒状支持体と前記他の部材とを電気的に絶縁する絶縁部材が設けられている請求項1〜11のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる電気化学モジュール。
- 前記電気化学素子は、前記電気化学反応部の側方に前記電気化学反応部での反応に用いられる反応気体が供給される気体供給空間を有し、
並列配置される複数の前記電気化学素子のうち隣接する2つの前記電気化学素子であって、前記電気化学反応部が他方の前記電気化学素子に接続される第1電気化学素子と、前記筒状支持体が前記第1電気化学素子に接続される第2電気化学素子に関し、
前記第1電気化学素子の前記気体供給空間と前記第2電気化学素子の前記気体供給空間とが、前記第2電気化学素子の前記筒状支持体の側方を介して連通している請求項13に記載の電気化学モジュール。 - 請求項13または14に記載の電気化学モジュールと改質器を有し前記電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する電気化学装置。
- 請求項15に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するエネルギーシステム。
- 前記燃料極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第1気体が供給される請求項1〜12のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 請求項17に記載の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる電気化学モジュール。
- 複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に還元性成分を含有する前記第1気体を供給する第1気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第1気体供給部に接続されている請求項18に記載の電気化学モジュール。
- 前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して酸化性成分を含有する第2気体を供給する第2気体供給部を有する請求項18または19に記載の電気化学モジュール。
- 前記空気極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第3気体が供給される請求項1〜12のいずれか1項に記載の電気化学素子。
- 請求項21に記載の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体と反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる電気化学モジュール。
- 複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する前記第3気体を供給する第3気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第3気体供給部に接続されている請求項22に記載の電気化学モジュール。
- 前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して還元性成分を含有する第4気体を供給する第4気体供給部を有する請求項22または23に記載の電気化学モジュール。
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