JP2020167128A - 電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、複数の部材が積層方向に積層されることでガスを通流させる流路が構成される場合に、当該複数の部材と他の部材との接触部分の隙間の発生を抑制し、ガス漏れを抑制することが望まれている。
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、
電解質層と前記電解質層の両側にそれぞれ配置されている電極層及び対極電極層とが基板に沿って形成されている複数の電気化学素子が、還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第1ガスを通流するための環状シール部を介して所定の積層方向に積層されている積層体と、
前記積層体の前記積層方向における第1平面を押圧する第1挟持体、及び前記第1平面とは反対側の第2平面を押圧する第2挟持体を含み、前記第1挟持体及び前記第2挟持体により前記積層体を挟持する挟持体と、
前記環状シール部の装着箇所を、前記積層方向において前記挟持体に対して押圧する押圧機構と、
を備える点にある。
より具体的に説明すると、電気化学素子は、基板に沿って形成されている電極層と電解質層と対極電極層とを有している。この電極層、電解質層及び対極電極層は、第1ガスの供給等を受けて電気化学反応を行う電気化学反応部となる。そして、複数の電気化学素子が環状シール部を介して所定の積層方向に積層され、所定の締め付け圧力により押圧されて積層体が形成されている。
上記特徴構成によれば、電気化学モジュールは、環状シール部を積層方向に沿って押圧する押圧機構を備えているため、環状シール部を押圧可能であり、環状シール部と他の部材との隙間からの第1ガスの漏洩を抑制できる。また、環状シール部を電気化学反応部とは独立に押圧可能であるので、これらの隙間からの第1ガスの漏洩を抑制可能な適切な押圧力を環状シール部に負荷可能である。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記押圧機構は、前記第1挟持体に設けられた第1螺合部材と、前記第1螺合部材との螺合により前記環状シール部を前記積層方向に押圧可能な第2螺合部材とを備える点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記第1螺合部材は筒状部材であり、内周面に雌ネジ部を有しており、
前記第2螺合部材は筒状部材であり、外周面に雄ネジ部を有しており、
前記第2螺合部材の前記雄ネジ部を前記第1螺合部材の前記雌ネジ部に螺合させる点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記第1ガスを前記環状シール部に供給又は前記環状シール部から排出するために、前記積層体に連結された通流管を備え、
前記押圧機構は、前記通流管を介して前記環状シール部が存在する領域を前記積層方向に沿って押圧し、
前記押圧機構の熱膨張率は、前記通流管の熱膨張率以下である点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記押圧機構は、前記押圧機構は、前記第2螺合部材と前記通流管との間の電気絶縁性のシール部を備える点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記第1平面及び前記第2平面の少なくとも一方に沿って配置されている、弾性を有する平板状部材を備える点にある。
ここで、積層体及び挟持体の少なくともいずれかが膨張あるいは収縮した場合、積層体と挟持体との間隔は、積層体等の膨張前後で変動する可能性がある。平板状部材は弾性力を有しているため、積層体と挟持体との間隔が変動した場合でも、その弾性力により一対の挟持体の間に積層体を弾性挟持する。
よって、積層体等の膨張あるいは収縮により積層体及び挟持体等の間隔が変動しても、平板状部材によって、積層方向の適度な締め付け圧力を積層体の平面に沿って概ね均一に付与できる。
このように、積層体の第1平面及び第2平面の少なくとも一方と、挟持体の平面との間に、積層体及び挟持体の平面に沿って平板状部材を配置するという簡単な構成で、積層体等の膨張を考慮した電気化学モジュールを構成できる。よって、積層体等が膨張あるいは収縮した際にも、積層体等を適切に締め付けることが可能な小型かつ軽量な電気化学モジュールを提供できる。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記第1挟持体と前記第2挟持体との間に前記積層体を挟んだ状態で、前記第1挟持体と前記第2挟持体とを締結する締結部材を備える点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記基板は、前記環状シール部を介して前記第1ガスが導入される内部流路を内部に有しており、
前記積層方向に隣接する電気化学素子間に、前記還元性成分ガス及び前記酸化性成分ガスのうちの他方である第2ガスが通流する通流部が形成されている点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
各電気化学素子の基板は、前記第1ガスを通流する供給路を形成する第1貫通部を有し、
各電気化学素子の第1貫通部は、隣接する電気化学素子の間に介在する環状シール部の環状孔と連通している点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記複数の電気化学素子では、第1電気化学素子と第2電気化学素子とが互いに隣接して積層されており、
各電気化学素子を構成する前記基板は、前記環状シール部を介して前記第1ガスが通流する内部流路を内部に有しており、
前記第1電気化学素子を構成する前記基板と、前記第2電気化学素子を構成する前記基板とが対向する形態で、且つ、前記第1電気化学素子を構成する前記基板における電気化学反応部が配置される外面と、前記第2電気化学素子を構成する前記基板における前記電気化学反応部が配置される側とは別の外面とが電気的に接続されており、且つ、これら両外面どうしの隣接間に、当該両外面に沿って還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの他方である第2ガスが通流する通流部が形成されている点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
各電気化学素子を構成する前記基板には、当該基板の内側である前記内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部が形成されており、
前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、前記電極層と前記電解質層と前記対極電極層とにより電気化学反応部が形成されており、
前記基板の表面貫通方向外方と前記内部流路とに亘って前記第1ガスが流通する供給路を形成する第1貫通部が形成されている点にある。
電気化学素子を「電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する」電解セルとして機能させる場合には、第1ガスは、電気化学反応により生成される水素ガス等の還元性成分ガス及び酸素等の酸化性成分ガスのうちの一方であり、第2ガスは他方である。
電気化学素子を電解セルとして機能させる場合には、電気化学反応部に電気を供給することにより、水などの電気分解反応により第1ガスと第2ガスとが生じ、基板の外方側の経路と、基板の気体通流許容部から内部流路を通じる経路から排出することができる。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第1貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第1環状シール部を備え、
前記第1貫通部及び前記第1環状シール部により、前記内部流路との間に前記第1ガスを流通する前記供給路が形成される点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの更なる特徴構成は、
前記基板は、前記内部流路を通流する前記第1ガスを前記基板の表面貫通方向外方と流通させる排出路を形成する第2貫通部を備え、
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第2貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第2環状シール部を備え、
前記第2貫通部及び前記第2環状シール部により、前記内部流路を通流する前記第1ガスが流通する前記排出路が形成される点にある。
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記の電気化学モジュールと燃料変換器とを少なくとも有し、前記電気化学モジュールに対して燃料変換器からの還元性成分ガスを流通する、あるいは前記電気化学モジュールから燃料変換器に還元性成分ガスを流通する燃料供給部を有する点にある。
水蒸気と二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通される場合は上記電気分解により電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。燃料供給部により、この燃料変換器が生成した炭化水素等を電気化学モジュールに流通したり、本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することができる。
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記の電気化学モジュールと、前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する点にある。
なお、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、
上記の電気化学装置と、前記電気化学装置もしくは燃料変換器から排出される熱を再利用する排熱利用部とを有する点にある。
(1)電気化学モジュールMの全体構成
以下に、第1実施形態に係る電気化学モジュールMの全体構成を説明する。図1に示すように、電気化学モジュールMは、電気化学素子積層体(積層体)Sと、電気化学素子積層体Sを内装する概ね直方体状の容器(第1挟持体、第2挟持体)200とを備えている。電気化学素子A(図4)は発電を行う素子であり、図1の断面視において紙面手前から紙面奥方向に沿って延びる板状に形成されている。そして、電気化学素子積層体Sは、複数の平板状の電気化学素子Aが図1の断面視において上下の積層方向に積層されて構成されている。本実施形態では、電気化学素子AとしてSOFC(Solid Oxide Fuel Cell)を例に挙げて説明する。
第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62それぞれに対応して、後述の押圧機構400が設けられている。押圧機構400は、第1ガス供給部61及び複数の第1環状シール部42と、第1ガス排出部62及び複数の第2環状シール部52を電気化学素子積層体S側に押圧可能な機構である。
ここでは、第1ガスは例えば燃料ガス等の還元性成分ガスであり、第2ガスは空気等の酸化性成分ガスである。
電気化学素子積層体Sについては、後で詳述する。
以下に、絶縁体(上部及び下部絶縁体210T及び210B)210、平板状部材(上部及び下部平板状部材220T及び220B)220、プレート(上部及び下部プレート230T及び230B)230、容器200及び押圧機構400についてさらに説明する。
上部絶縁体210Tは、板状部材であり、電気化学素子積層体Sの上部平面(第1平面)を覆うように配置されている。上部絶縁体210Tは、例えば硬質マイカから形成されており、電気化学素子積層体Sを外部から電気的に絶縁している。上部絶縁体210Tには、第1ガス供給部61が貫通する開口210Taが設けられている。
上部平板状部材220Tは、上部絶縁体210Tの上部に配置されている。上部平板状部材220Tは、弾性を有する部材であり、本実施形態では、例えば図1の断面視において波形の形状に形成されている。波形は、電気化学素子積層体Sの平面に沿って延びている。よって、上部平板状部材220Tは、波形の頂部220Taが上部絶縁体210Tと接触するように配置されている。
上部平板状部材220Tの役割については後述する。
上部プレート230Tは、板状部材であり、上部平板状部材220Tの上部に配置されており、高温における曲げ強度の高いセラミックス系材料、例えば99アルミナから形成されている。上部プレート230Tは、上部平板状部材220Tの少なくとも一部と接触する。本実施形態では、上部平板状部材220Tの波形の頂部220Tbが上部プレート230Tと接触する。また、上部プレート230Tには、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62が貫通する開口230Taが設けられている。
下部絶縁体210Bは、電気化学素子積層体Sの下部平面(第2平面)を覆うように配置されている。下部平板状部材220Bは下部絶縁体210Bの下部に、下部プレート230Bは下部平板状部材220Bの下部に配置されている。下部絶縁体210B、下部平板状部材220B及び下部プレート230Bは、それぞれ上部絶縁体210T、上部平板状部材220T及び上部プレート230Tと同様である。ただし、下部絶縁体210B及び下部プレート230Bには、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62が貫通する開口が形成されていない。また、下部平板状部材220Bは、外周壁415に対応するようにくり抜かれていない。
なお、下部平板状部材220Bの波形の頂部220Baが下部プレート230Bと接触し、頂部220Bbが下部絶縁体210Bと接触する。
電気化学素子積層体Sを内装する容器200は、図1〜図3に示すように、概ね直方体状の容器である。容器200は、下方が開口した箱状の上蓋(第1挟持体)201と、上方が開口した下蓋203(第2挟持体)とを含む。上蓋201の外縁は、下蓋203の外縁よりも大きく、下蓋203の外縁を上蓋201が覆うように組み合わせられる。そして、上蓋201と下蓋203との接触面どうしが溶接、接着、嵌合等することにより上蓋201と下蓋203とが締結される。これにより、上蓋201と下蓋203との内部に直方体状の空間が形成される。
また、平面部201aには、第2端部201bよりも内方において、外縁を成す第1端部201cよりも一回り小さい開口201dが形成されている。
また、第1端部203bの内方側には、第2端部203cが、平面部201aとは断面視において概ね90°を成して前記積層方向の上方に向かって所定長さで延びている。平面部203aと第2端部203cとは、L字状の角部を構成している。
また、第1端部203bには、外方に向かって積層方向と交差する方向に延びる第3端部203dが形成されている。第3端部203dは、第2ガス供給部71及び第2ガス排出部72を構成している。
そして、電気化学素子積層体Sは、その上面が、上部プレート230T、上部平板状部材220T及び上部絶縁体210Tを介して上蓋201により支持されている。また、電気化学素子積層体Sは、その下面が、下部プレート230B、下部平板状部材220B及び下部絶縁体210Bを介して下蓋203により支持されている。
よって、図4に示すように、電気化学素子積層体Sにおいて、電気化学反応部3が設けられている積層方向に沿う領域は、上部及び下部絶縁体210T及び210B、上部及び下部平板状部材220T及び220B、上部及び下部プレート230T及び230B等が、上蓋201及び下蓋203により押圧されることで、所定の締め付け圧力が負荷されている。一方、電気化学素子積層体Sにおいて、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62が設けられている積層方向に沿う領域は、上蓋201及び下蓋203による締め付け圧力に加えて、押圧機構400によってさらに押圧可能である。
押圧機構400は、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62それぞれに対応して設けられている。
図1及び図4に示すように、第1ガス供給部61は、第1ガスを電気化学素子積層体Sに供給するために、容器200の外部から第1ガスを容器200内に導入する通路である。第1ガス供給部61は、第1ガスが通流する円筒状の供給貫通部61aと、上端である供給上端部61bと、下端である供給下端部61cとを有している。なお、第1ガス供給部61の下方には、各電気化学素子Aに設けられている後述の第1環状シール部42が、各電気化学素子Aが積層されるのに伴って積層方向に積層されている。この場合、第1ガス供給部61の軸心と、複数の第1環状シール部42の積層方向の軸心とは概ね一致している。
なお、後述するが、第1板状体1の上面には、第1環状シール部42に対応する位置にも膨出部aが設けられている。
押圧機構400は、上蓋201の平面部201aのうち、第1ガス供給部61に対応する部分において、電気化学素子積層体Sの積層方向の上方に向かって所定長さで延びている第1螺合部材401を有している。第1螺合部材401は、筒状部材であり、内周面に雌ネジ部401aが形成されている。
第2螺合部材403及びねじ込み部405には、これらを貫通する供給貫通孔407が形成されている。第2螺合部材403及びねじ込み部405と第1ガス供給部61とは、供給貫通孔407と供給貫通部61aとが連通するように対応している。これにより、供給貫通孔407及び供給貫通部61aを介して第1ガスが外部から電気化学素子積層体Sに供給される。
なお、第2螺合部材403と第1ガス供給部61の供給上端部61bとが密接に接続されており、接続部分において第1ガスが漏えいしない場合には、環状シール部410は必ずしも設けられている必要はない。あるいは、当該接続部分において電気化学モジュールとねじ込み部405を電気的に絶縁する必要がなく、溶接などで気密接合が可能な場合には、環状シール部410は必ずしも設けられている必要はない。
第1ガス排出部62は、第1ガスを外部に排出する通路であり、第1ガス供給部61と同様の構成である。よって、以下では、第1ガス排出部62及び押圧機構400について簡単に説明する。第1ガス排出部62は、第1ガスが通流する円筒状の排出貫通部62aと、上端である排出上端部62bと、下端である排出下端部62cとを有している。
押圧機構400は、第1螺合部材401と、第2螺合部材403と、ねじ込み部405と、環状シール部410とを有している。
次に、平板状部材(上部及び下部平板状部材220T及び220B)220及びそれに関連する部材の構成及び作用についてさらに説明する。
平板状部材220は、本実施形態では、熱により膨張する熱膨張部材から形成されている。平板状部材220の熱膨張率は、電気化学素子積層体S及び容器200等を構成する部材の熱膨張率よりも大きいと好ましい。このような平板状部材220の材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレスが挙げられる。
押圧機構400を構成する第1螺合部材401及び第2螺合部材403の熱膨張率は、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62の熱膨張率以下である。押圧機構400は、例えばSUS316等の金属から形成できる。また、第1ガス供給部61もまた例えばSUS316等の金属から形成できる。
押圧機構400の熱膨張率が第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62の熱膨張率以下であるため、押圧機構400から、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62を介した、第1環状シール部42及び第2環状シール部52への押圧力への伝達ロスを抑制できる。
例えば、押圧機構400の熱膨張率が第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62の熱膨張率よりも大きいとする。そして、押圧機構400が、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62、第1環状シール部42及び第2環状シール部52に伝えるべき押圧方向とは異なる方向、つまり電気化学素子積層体Sが存在する側とは反対方向に押圧機構400が熱膨張する場合がある。さらに、第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62がこの押圧機構400の膨張に追従できない場合がある。よって、押圧機構400と第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62との間の間隔が大きくなり、押圧機構400から第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62を介して、第1環状シール部42及び第2環状シール部52に十分に押圧力を伝達することができない。
(a)電気化学モジュールMの組立方法
次に、上記の電気化学モジュールMの組立方法について説明する。
複数の電気化学素子Aを積層して電気化学素子積層体Sを準備する。電気化学素子積層体Sの構成及び製造方法については後述する。
また、箱状の容器200を形成することで、本実施形態では、第2ガス供給部71から電気化学素子積層体Sに供給する空気のマニホールドの空間を設けることができる。
上記の電気化学モジュールMの組立時には、下蓋203と上蓋201とを結合する際に電気化学素子積層体Sに所定の締め付け圧力を負荷する。この締め付け圧力は、平板状部材220に所定の圧縮変位Lを与えることで負荷される。
以下では、容器200が所定の材料Aを用いて形成され、電気化学素子積層体Sが基板などの主要部が所定の材料Bを用いて形成され、平板状部材220が所定の材料Cを用いて形成されているものとする。材料Cの熱膨張率は、材料A及び材料Bの熱膨張率よりも大きい。
また、電気化学素子Aによる発電時の温度(例えば700℃)においてばね定数がK700である。なお、K700は、K20の例えば約75%である。
L=P×SB/(K700)+ΔG
(a)平板状部材の作用
上記のように、熱膨張部材からなる平板状部材220は、電気化学素子積層体Sの上部平面及び下部平面に配置されており、上部及び下部プレート230から所定の締め付け圧力を負荷されて、弾性的に電気化学素子積層体Sを支持している。
また、容器200の熱膨張量が小さい場合、容器200の膨張により電気化学素子Aの基板等の位置ずれ及び破損等を抑制できる。
第1ガスは、上述の通り、第1ガス供給部61、第1環状シール部42、第1ガス排出部62、及び第2環状シール部52等の複数のガス通流用の部材を通流する。特に、第1環状シール部42及び第2環状シール部52への押圧力が不足している場合は、これらの部材と他の部材との接触部分の隙間から第1ガスが漏洩してしまう。例えば、複数の電気化学素子Aは積層方向に積層され、所定の締め付け圧力により押圧されるが、第1環状シール部42及び第2環状シール部52に対して必要な押圧力が、電気化学反応部3に対する押圧力よりも大きくなる場合がある。
次に、図1及び図4を用いて、電気化学モジュールMの具体的構成について説明する。図1の電気化学素子積層体Sの詳細が図1に示されている。
容器200内に、第2ガス供給部71から供給される第2ガスを通流部A2に分配供給する分配室9を備えている。
通流部A2は、空間側に開口形成されて当該空間と連通している。
電気化学素子積層体Sの構成については、後で詳述する。
(a)上記では、平板状部材220は、熱により膨張する熱膨張部材である。しかし、平板状部材220は、電気化学素子積層体S及び容器200等の膨張及び収縮時等に、電気化学素子積層体Sの平面に概ね均一に締め付け圧力を負荷できる部材であればよく、熱膨張部材に限定されない。例えば、平板状部材220は、熱膨張率が小さいが、ある程度の弾性を有する部材であってもよい。
このように、電気化学素子積層体Sの平面と、プレート230の平面との間に、電気化学素子積層体S及びプレート230の平面に沿って平板状部材220を配置し、容器200に収納するという簡単な構成で、電気化学素子積層体S等の膨張を考慮した電気化学モジュールMを構成できる。
例えば、平板状部材220は、電気化学素子積層体Sの平面と、分散された複数箇所において接触しており、プレート230の平面とは面接触していることもできる。この場合、平板状部材220は、電気化学素子積層体Sと接触した部分で電気化学素子積層体S等の膨張による負荷力を分散して受け止める。
例えば、平板状部材220の熱膨張率は、容器200を構成する部材の熱膨張率と同程度であってもよく、あるいは、小さくてもよい。
以下に、上記実施形態の電気化学モジュールMとは異なる形態の電気化学モジュールMについて別の形態1及び別の形態2を例に挙げて説明する。
別の形態1に係る電気化学モジュールM1について、図5を用いて説明する。別の形態1に係る電気化学モジュールM1は、図1の電気化学モジュールMとは、平板状部材220に加えて、平板状部材320が設けられている点が異なる。つまり、別の形態1に係る電気化学モジュールM1には、2つの平板状部材220、320が設けられている。
別の形態2に係る電気化学モジュールM2について、図6を用いて説明する。別の形態2に係る電気化学モジュールM2は、図5の電気化学モジュールMとは、上蓋201の平面部201aに開口201dが設けられていない点、下蓋203の側面である第1端部203bに開口201eが設けられていない点、上部及び下部プレート230T及び230Bが省略されている点が主に異なる。
ただし、下蓋203と上蓋201とは図5と同様に溶接により結合されていてもよい。
また、電気化学モジュールM2は、電気化学素子積層体Sの下部に、電気化学素子積層体S側から外側に向かって順に、下部絶縁体210B、例えばメタルハニカム形状の下部平板状部材320B、例えば波形形状の下部平板状部材220Bを備えている。
なお、上部及び下部平板状部材320と、上部及び下部平板状部材220との少なくともいずれかが設けられている構成であってもよい。また、平面部201a、第1ガス供給部61及び第2端部201bに囲まれる空間と、平面部201a、第1ガス排出部62及び第2端部201bに囲まれる空間とにおいても、上部絶縁体210T、上部平板状部材320T及び上部平板状部材220Tが配置されていてもよい。
次に、電気化学素子積層体Sの具体的構成を説明する。電気化学素子積層体Sは、複数の電気化学素子Aが積層されて形成されている。
図9〜図18を用いて電気化学素子Aについて説明する。
図9〜図17に示すように、電気化学素子Aは、導電性の第1板状体1と導電性の第2板状体2との対向面間に形成された内部流路A1を有する板状支持体(基板)10を備えている。
板状支持体10は、当該板状支持体10を構成する第1板状体1及び第2板状体2の少なくとも一部において、当該板状支持体10の内側である内部流路A1と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部1Aと、気体通流許容部1Aの全部又は一部を被覆する状態で、膜状の電極層31と膜状の電解質層32と膜状の対極電極層33とを記載順に有する電気化学反応部3とを備える(図13〜図17参照)。また、板状支持体10には、表面貫通方向外方から内部流路A1にたとえば燃料ガス等の還元性成分ガス及びたとえば空気等の酸化性成分ガスのうちの一方である第1ガスを供給する供給路4を形成する第1貫通部41を一端部側に備え、内部流路A1を通流した第1ガスを板状支持体の表面貫通方向外方へ排出する排出路5を形成する第2貫通部51を他端部側に備える(図9、図11,図16,図17参照、尚、供給路4等と排出路5等とは対称形にて同様の構造であることも理解される)。
第1板状体1は、電極層31と電解質層32と対極電極層33とを有する電気化学反応部3を支持して電気化学素子Aの強度を保つ役割を担う。第1板状体1の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、第1板状体1は、Crを18質量%以上25質量%以下含有するFe−Cr系合金を用いているが、Mnを0.05質量%以上含有するFe−Cr系合金、Tiを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe−Cr系合金、Zrを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe−Cr系合金、TiおよびZrを含有しTiとZrとの合計の含有量が0.15質量%以上1.0質量%以下であるFe−Cr系合金、Cuを0.10質量%以上1.0質量%以下含有するFe−Cr系合金であると特に好適である。
金属酸化物層12は種々の手法により形成されうるが、第1板状体1の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、第1板状体1の表面に、金属酸化物層12をスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、スパッタリング法やPLD法等のPVD法、CVD法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層12は導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
(電極層)
電極層31は、図13〜18に示すように、第1板状体1の表側の面であって貫通孔11が設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm〜100μm程度、好ましくは、5μm〜50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通孔11が設けられた領域の全体が、電極層31に覆われている。つまり、貫通孔11は第1板状体1における電極層31が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔11が電極層31に面して設けられている。
すなわち電極層31は、多孔質な層として形成される。電極層31は、例えば、その緻密度が30%以上80%未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、(1−空孔率)と表すことができ、また、相対密度と同等である。
中間層34は、電極層31を覆った状態で、電極層31の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm〜100μm程度、好ましくは2μm〜50μm程度、より好ましくは4μm〜25μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層34の材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層34の材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
図13〜図18に示すように、電解質層32は、電極層31および中間層34を覆った状態で、前記中間層34の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは、電解質層32は、中間層34の上と第1板状体1の上とにわたって(跨って)設けられる。このように構成し、電解質層32を第1板状体1に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
反応防止層35は、電解質層32の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm〜100μm程度、好ましくは2μm〜50μm程度、より好ましくは3μm〜15μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。前記反応防止層の材料としては、電解質層32の成分と対極電極層33の成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層35の材料として、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有し、これら元素の含有率の合計が1.0質量%以上10質量%以下であるとよい。反応防止層35を電解質層32と対極電極層33との間に導入することにより、対極電極層33の構成材料と電解質層32の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Aの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層35の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、第1板状体1の損傷を抑制し、また、第1板状体1と電極層31との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
図13〜図18に示すように、対極電極層33を、電解質層32もしくは反応防止層35の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm〜100μm程度、好ましくは、5μm〜50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層33の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層33が、La、Sr、Sm、Mn、CoおよびFeからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層33は、カソードとして機能する。
電解質層32に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層31において流通された燃料ガスに含まれる水素H2が電子e−を放出して水素イオンH+が生成される。その水素イオンH+が電解質層32を通って対極電極層33へ移動する。対極電極層33において空気に含まれる酸素O2と水素イオンH+、電子e−が反応し水H2Oが生成される。
以上の反応により、電極層31と対極電極層33との間に電気化学出力として起電力が発生する。この場合、電極層31は燃料電池の燃料極(アノード)として機能し、対極電極層33は空気極(カソード)として機能する。
次に、電気化学反応部3の製造方法について説明する。尚、図13〜図17においては、下記中間層34及び反応防止層35を省略した記述としているので、ここでは、主に図18を用いて説明する。
電極層形成ステップでは、第1板状体1の表側の面の貫通孔11が設けられた領域より広い領域に電極層31が薄膜の状態で形成される。第1板状体1の貫通孔11はレーザー加工等によって設けることができる。電極層31の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第1板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、第1板状体1の表面に金属酸化物層12(拡散抑制層)が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層12(拡散抑制層)が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、第1板状体1の損傷を抑制可能な1100℃以下の処理温度で実施することが望ましい。
中間層形成ステップでは、電極層31を覆う形態で、電極層31の上に中間層34が薄層の状態で形成される。中間層34の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第1板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
まず、中間層34の材料粉末と溶媒(分散媒)とを混合して材料ペーストを作成し、第1板状体1の表側の面に塗布する。そして中間層34を圧縮成形し(中間層平滑化工程)、1100℃以下で焼成する(中間層焼成工程)。中間層34の圧延は、例えば、CIP(Cold Isostatic Pressing 、冷間静水圧加圧)成形、ロール加圧成形、RIP(Rubber Isostatic Pressing)成形などにより行うことができる。また、中間層34の焼成は、800℃以上1100℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、第1板状体1の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層34を形成できるためである。また、中間層34の焼成を1050℃以下で行うとより好ましく、1000℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層34の焼成温度を低下させる程に、第1板状体1の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Aを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
電解質層形成ステップでは、電極層31および中間層34を覆った状態で、電解質層32が中間層34の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層32の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第1板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
反応防止層形成ステップでは、反応防止層35が電解質層32の上に薄層の状態で形成される。反応防止層35の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第1板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層35の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層35の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
対極電極層形成ステップでは、対極電極層33が反応防止層35の上に薄層の状態で形成される。対極電極層33の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第1板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
図4に示すように、電気化学素子積層体Sは、複数の電気化学素子Aが所定の積層方向に積層されて構成されている。隣接する電気化学素子Aに関して、一つの電気化学素子A(第1電気化学素子A)を構成する板状支持体10と、他の一つの電気化学素子A(第2電気化学素子A)を構成する板状支持体10とが対向する形態で配置されている。
例えば、一つの電気化学素子A(第1電気化学素子A)は、電気化学反応部3が配置される第1板状体1と第2板状体2とを有する板状支持体10を備えている。同様に、第1電気化学素子Aの下方向(第1方向)及び上方向(第2方向)に隣接する第2電気化学素子Aの板状支持体10は、電気化学反応部3が配置される第1板状体1と第2板状体2とを有する板状支持体10を備えている。
また、第1電気化学素子Aの第1板状体1の外面と、下方向に隣接する第2電気化学素子Aの第2板状体2の外面とが電気的に接続される。電気的に接続させるためには、電気伝導性表面部同士を単純に接触させる他、接触面に面圧を印可したり、高電気伝導性の材料を介在させて接触抵抗を下げる方法などが採用可能である。また、第1電気化学素子Aの第1板状体1の外面と下方向に隣接する第2電気化学素子Aの第2板状体2の外面との間に、当該両外面に沿って第1ガスが通流する副流路A11(内部流路A1の一部)が形成される。
次に、エネルギーシステム、電気化学装置について図19を用いて説明する。
エネルギーシステムZは、電気化学装置100と、電気化学装置100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190とを有する。
電気化学装置100は、電気化学モジュールMと、脱硫器101と改質器102からなる燃料変換器を有し、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103と、電気化学モジュールMから電力を取り出す出力部8としてのインバータ104(電力変換器の一例)とを有する。
(1)電気化学モジュールMの全体構成
次に、第2実施形態に係る電気化学モジュールMの全体構成を説明する。
上記第1実施形態に係る電気化学モジュールMでは、電気化学素子積層体S等が容器(第1挟持体、第2挟持体)200に収容されている。これに対して、第2実施形態に係る電気化学モジュールMは、電気化学素子積層体S等が、上部エンドプレート(第1挟持体)510Tと下部エンドプレート(第2挟持体)510Bとにより挟持された状態で、ボルト511及びナット513により固定されている。
図20に示すように、電気化学モジュールMは、電気化学素子積層体(積層体)S等が上部エンドプレート510Tと下部エンドプレート510Bとに挟持されることで構成される。
押圧機構500は、上部エンドプレート510Tの平面のうち、第1ガス供給部91に対応する部分において、電気化学素子積層体Sの積層方向の上方に向かって所定長さで突出する第1螺合部材501を有している。第1螺合部材501は、後述の第2螺合部材503が貫通する開口を有し、開口の内周面に雌ネジ部501aが形成されている。
第1ガス排出部92は、第1ガスを外部に排出する通路であり、第1ガス供給部91と同様の構成である。よって、以下では、第1ガス排出部92及び押圧機構500について簡単に説明する。第1ガス排出部92は、第1ガスが通流する円筒状の排出貫通部92aと、上端である排出路上端部92bと、下端である排出下端部92cと、排出下端部92cの近傍の開口92dとを有している。
押圧機構500は、第1螺合部材501と、第2螺合部材503と、ねじ込み部505と、固定ナット509と、スプリング506とを有している。
(2−1)
上記第2実施形態では、第1実施形態の第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62の代わりに、第1ガス供給部91及び第1ガス排出部92が用いられている。また、上記第2実施形態では、第1実施形態の押圧機構400の代わりに、押圧機構500が用いられている。しかし、上記第2実施形態においても、第1実施形態の第1ガス供給部61及び第1ガス排出部62と、第1実施形態の押圧機構400とを用いてもよい。このような構成について図24に基づいて説明する。
なお、図4と同様に、第1ガス供給部61は、集電体81の貫通孔81aを貫通し、集電体81に隣接する第1板状体1の上面の環状の膨出部aに位置決めされる。そして、第1ガス供給部61の供給下端部61cと第1板状体1とが溶接等されて連結される。
第1ガス排出部62と第1板状体1との結合、押圧機構400による第2環状シール部52への押圧については、押圧機構400による第1環状シール部42への押圧と同様である。
図20、図24の構成において、上記第1実施形態の図1と同様に、プレート230と絶縁体210との間に平板状部材220が設けられていてもよい。
図20、図24の構成において、上記第1実施形態の図5(別の形態1)と同様に、プレート230と絶縁体210との間に、平板状部材220に加えて、平板状部材320が設けられていてもよい。つまり、第2実施形態に係る電気化学モジュールMには、2つの平板状部材220、320が設けられていてもよい。
図20、図24の構成において、上記第1実施形態の図6(別の形態2)と同様に、第2実施形態に係る電気化学モジュールMにおいて、上部及び下部プレート230T及び230Bが省略されていてもよい。
なお上述の実施形態(他の実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
すなわち、上記の実施形態では、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上できる構成について説明した。
つまり、上記の実施形態では、電気化学素子A及び電気化学モジュールMを燃料電池として動作させ、電極層31に水素ガスが流通され、対極電極層33に酸素ガスが流通される。そうすると、対極電極層33において酸素分子O2が電子e−と反応して酸素イオンO2−が生成される。その酸素イオンO2−が電解質層32を通って電極層31へ移動する。電極層31においては、水素分子H2が酸素イオンO2−と反応し、水H2Oと電子e−が生成される。以上の反応により、電極層31と対極電極層33との間に起電力が発生し、発電が行われる。
一方、電気化学素子A及び電気化学モジュールMを電解セルとして動作させる場合は、電極層31に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層31と対極電極層33との間に電圧が印加される。そうすると、電極層31において電子e−と水分子H2O、二酸化炭素分子CO2が反応し水素分子H2や一酸化炭素COと酸素イオンO2−となる。酸素イオンO2−は電解質層32を通って対極電極層33へ移動する。対極電極層33において酸素イオンO2−が電子を放出して酸素分子O2となる。以上の反応により、水分子H2Oが水素H2と酸素O2とに、二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素COと酸素O2とに電気分解される。
水蒸気と二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通される場合は上記電気分解により電気化学素子A及び電気化学モジュールMで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物などを合成する燃料変換器25(図26)を設けることができる。燃料供給部(図示せず)により、この燃料変換器25が生成した炭化水素等を電気化学素子A及び電気化学モジュールMに流通したり、本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することができる。
また、電力変換器93は、電気化学素子Aに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子Aは電解セルとして作用する。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置100及びエネルギーシステムZ等を提供することができる。
なお、図26では、上記第1実施形態の電気化学モジュールMを用いたエネルギーシステムZを説明している。しかし、図26のエネルギーシステムZには、第1実施形態の電気化学モジュールMに代えて、第2実施形態に係る電気化学モジュールMを用いることができる。
すなわち、電極層31と対極電極層33の順や第1ガス、第2ガスのいずれが還元性成分ガス及び酸化性成分ガスの一方または他方であるかについては、電極層31と対極電極層33に対して第1ガス、第2ガスが適正に反応する形態で供給されるよう配置されていれば、種々形態を採用しうる。
さらに、板状支持体は長方形状に限らず、正方形状、円形状等種々形態を採用することができる。
また、後述しているが、第2板状体2が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。同様に、第1板状体1が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。
複数の副流路A11は、第2板状体2のうち分配部A12から合流部A13以外の部分を波板状に形成することで構成されている。そして、図13に示すように、複数の副流路A11は、第1ガスのガス流れ方向に交差する流れ交差方向での断面視において波板状に構成されている。このような複数の副流路A11は、図9に示すガス流れ方向に沿って波板が延びて形成されている。複数の副流路A11は、分配部A12と合流部A13との間で一連の波状の板状体から形成されていてもよいし、2以上の波状の板状体から構成されていてもよい。複数の副流路A11は、例えば、ガス流れ方向に沿う方向に沿って分離した2以上の波状の板状体から構成されていてもよいし、流れ交差方向に沿う方向に沿って分離した2以上の波状の板状体から構成されていてもよい。
次に、図27〜図44等を用いて、電気化学モジュールMの具体的構成について説明する。電気化学モジュールMには図4に示す電気化学素子積層体Sが含まれる。
ここで、図27〜図44等に示すように、電気化学素子積層体Sの積層方向は+Z方向及び−Z方向(Z方向)である。また、第1板状体1及び第2板状体2の間において第1ガスが第1ガス供給部61側から第1ガス排出部62側に通流する方向、同様に第1板状体1及び第2板状体2の間において第2ガスが第2ガス供給部71側から第2ガス排出部72側に通流する方向は、+Z方向及び−Z方向(Z方向)に交差する+X方向及び−X方向(X方向)である。また、+Z方向及び−Z方向(Z方向)及び+X方向及び−X方向(X方向)に交差する方向は、+Y方向及び−Y方向(Y方向)である。そして、XZ平面とXY平面とYZ平面とは互いに概ね直交している。
この内部流路A1は、第1板状体1と第2板状体2とが対向する空間により形成されている。本実施形態では、第1板状体1は平板状であり、後述の気体通流許容部1Aが形成されている。第2板状体2は、積層方向に対して上方向に突出する部分と、下方向に凹む部分とを有している。よって、第1板状体1と第2板状体2とが対向して組み合わされることで、第2板状体2の上方向に突出する部分が第1板状体1と当接する。そして、第2板状体2の下方向に凹む部分と第1板状体1とにより、分配部A12、供給バッファ部144、複数の副流路A11、排出バッファ部154及び合流部A13等の各部が仕切られた空間が形成される。
また、燃料ガスの通流方向に沿う方向において、複数の副流路A11と合流部A13との間に排出構造体150が設けられている。排出構造体150は、複数の副流路A11から合流部A13への燃料ガスの排出を制限する。
各副流路A11に進入した燃料ガスは、各副流路A11を通流するとともに、気体通流許容部1Aを介して電極層31、電解質層32に進入する。また、燃料ガスは、電気化学反応済みの燃料ガスとともに、さらに副流路A11を進む。複数の副流路A11の通流方向の終端にまで到達した燃料ガスは、排出構造体150により合流部A13への通流が部分的に制限された状態で、合流部A13に進む。合流部A13に進んだ燃料ガスは、合流部A13、第2貫通部51、第2環状シール部52等を通流する。そして、他の電気化学素子Aからの電気化学反応済みの燃料ガスとともに第1ガス排出部62より外に排出される。
電気化学素子積層体Sの構成については、後で詳述する。
第1板状体1と第2板状体2とが対向して形成される内部流路A1の構成についてさらに説明する。
本実施形態では、平板状の第1板状体1と、積層方向に沿って上方(+Z方向)に突出するように、あるいは、積層方向に沿って下方(−Z方向)に凹むように凹凸に形成された第2板状体2とが互いに対向して組み合わされた内面に内部流路A1が形成される。内部流路A1には、分配部A12、供給バッファ部144、複数の副流路A11、排出バッファ部154及び合流部A13が含まれる。また、内部流路A1には、第1ガスが通過する、供給通過部141(供給構造体140の一部)及び排出通過部151(排出構造体150の一部)も含まれる。
L1とL2との関係は、例えば、分配部A12に単位時間に供給される第1ガスの量、複数の副流路A11に単位時間に供給すべき第1ガスの量、供給阻止部142の数、仕切部161のY方向の長さL3、副流路A11のY方向の長さL4等によって決まる。
また、通流方向において、供給阻止部142には、複数の副流路A11のうち少なくとも1つの副流路A11が対応して配置されている。
なお、第1ガスが供給構造体140と複数の副流路A11との間で一時的に貯留される領域が、供給バッファ部144である。
また、供給阻止部142は、上記では、通流方向の交差方向に一列に配置されている。しかし、第1ガスを分配部A12に一時的に貯留し、複数の副流路A11に概ね均一に第1ガスを供給できるのであれば、この配置に限定されない。例えば、複数の供給阻止部142は、交差方向からずれて配置されてもよい。また、複数の供給阻止部142が交差方向に沿って、あるいは交差方向からずれて配置されてもよい。
また、上記では、供給阻止部142は長方形状である。しかし、分配部A12から複数の副流路A11に均一にガスを供給できるのであれば、供給阻止部142の形状はこれに限定されない。例えば、供給阻止部142は、正方形状、円形状、楕円形状、三角形状など種々の形状に形成されていてもよい。
合流部A13は、排出路5側に設けられており、複数の副流路A11を通流した第1ガスを排出するためのバッファ部である。合流部A13は、第1ガスの通流方向において、内部流路A1のうち複数の副流路A11の下流側に設けられている。図27、図44等に示すように、合流部A13には、通流方向及びその交差方向の概ね中央部に、第2板状体2を貫通する第2貫通部51が形成されている。複数の副流路A11を通過した第1ガスは、合流部A13に導入され、第2貫通部51、第2環状シール部52、第1ガス排出部62等を介して外部に排出される。
L11とL12との関係は、例えば、複数の副流路A11に単位時間に供給される第1ガスの量、合流部A13から単位時間に排出すべき第1ガスの量、排出阻止部152の数、仕切部161のY方向の長さL3、副流路A11のY方向の長さL4等によって決まる。
また、通流方向において、排出通過部151には、複数の仕切部161のうちいずれかの仕切部161が対応して配置されている。
なお、第1ガスが複数の副流路A11と排出構造体150との間で一時的に貯留される領域が、排出バッファ部154である。
ただし、排出通過部151及び排出阻止部152の形状、大きさ、配置、数等は、供給通過部141及び供給阻止部142と異ならせてもよい。例えば、排出通過部151の大きさを供給通過部141よりも大きくしてもよい。これにより、分配部A12から複数の副流路A11に第1ガスを供給する際の供給圧よりも、複数の副流路A11から合流部A13への排出圧を小さくしてもよい。分配部A12から複数の副流路A11にある程度の供給圧で第1ガスを供給して複数の副流路A11間での流れ分布を一定にしつつ、第1ガスを排出する際にはスムーズに合流部A13に導入できる。
(a1)供給構造体の作用
次に、供給構造体140の作用について説明する。
上記構成の供給構造体140の供給阻止部142は、分配部A12と複数の副流路A11との間に設けられており、分配部A12から複数の副流路A11への第1ガスの流れの障壁となる。よって、分配部A12から複数の副流路A11に通流する際の第1ガスの圧力損失が高くなり、分配部A12に導入された第1ガスは分配部A12に充満するように行き亘り、一時的に貯留される。そのため、分配部A12内全体が概ね均一な圧力(均圧)となる。つまり、分配部A12と複数の副流路A11それぞれとの差圧が略同一となる。その上で、分配部A12から供給通過部141を介して複数の副流路A11に第1ガスが供給されるため、第1ガスが各副流路A11に概ね均圧な状態で供給される。これにより、各副流路A11間において、通流方向に沿う第1ガスの流れ分布(流速、流量及び圧力等)が概ね均一となる。
また、第1ガスは、分配部A12から複数の副流路A11に分かれて流れる。このように複数の流路に分かれて流れることによる整流作用によっても、第1ガスは、複数の流路が形成されていない内部流路を流れる場合に比べて、流れ分布(流速、流量及び圧力等)が概ね一定となる。
(a2)排出構造体の作用
次に、排出構造体150の作用について説明する。
上記構成によれば、分配部A12から複数の副流路A11に第1ガスを概ね均一な流れ分布で供給するための供給構造体140だけでなく、複数の副流路A11から第1ガスを合流部A13に合流させる部分に排出構造体150が設けられている。複数の副流路A11が供給構造体140と排出構造体150とに挟まれているため、複数の副流路A11内での第1ガスの流れ分布(流速、流量及び圧力等)を概ね均一にしつつ、電気化学反応の反応効率を向上できる。
より具体的に説明すると、上記構成の排出構造体150の排出阻止部152は、複数の副流路A11と合流部A13との間に設けられており、副流路A11から合流部A13への第1ガスの流れの障壁となる。よって、複数の副流路A11から合流部A13に通流する際の第1ガスの圧力損失が高くなる。そのため、複数の副流路A11に導入された第1ガスは、複数の副流路A11から即座に合流部A13に導入されにくく、複数の副流路A11に充満するように行き亘る。これにより、各副流路A11間において、通流方向に沿う第1ガスの流れ分布(流速、流量及び圧力等)を概ね均一にできる。また、第1ガスが複数の副流路A11に充満するように行き亘るため、複数の副流路A11内において電気化学反応が十分に行われる。これらにより、電気化学反応の反応効率を向上できる。
1A :気体通流許容部
2 :第2板状体
3 :電気化学反応部
4 :供給路
5 :排出路
9 :分配室
10 :板状支持体
11 :貫通孔
31 :電極層
32 :電解質層
33 :対極電極層
41 :第1貫通部
42 :第1環状シール部
51 :第2貫通部
52 :第2環状シール部
61 :第1ガス供給部
62 :第1ガス排出部
71 :第2ガス供給部
72 :第2ガス排出部
91 :第1ガス供給部
92 :第1ガス排出部
100 :電気化学装置
200 :容器
201 :上蓋
203 :下蓋
220 :平板状部材
230 :プレート
320 :平板状部材
400 :押圧機構
401 :第1螺合部材
401a :雌ネジ部
403 :第2螺合部材
403a :雄ネジ部
405 :ねじ込み部
407 :供給貫通孔
410 :環状シール部
500 :押圧機構
501 :第1螺合部材
501a :雌ネジ部
503 :第2螺合部材
503a :雄ネジ部
505 :ねじ込み部
506 :スプリング
507 :供給貫通孔
509 :固定ナット
510B :下部エンドプレート
510T :上部エンドプレート
A :電気化学素子
A :第2電気化学素子
A :第1電気化学素子
A1 :内部流路
A11 :副流路
A12 :分配部
A13 :合流部
A2 :通流部
M :電気化学モジュール
S :電気化学素子積層体
Z :エネルギーシステム
Claims (16)
- 電解質層と前記電解質層の両側にそれぞれ配置されている電極層及び対極電極層とが基板に沿って形成されている複数の電気化学素子が、還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第1ガスを通流するための環状シール部を介して所定の積層方向に積層されている積層体と、
前記積層体の前記積層方向における第1平面を押圧する第1挟持体、及び前記第1平面とは反対側の第2平面を押圧する第2挟持体を含み、前記第1挟持体及び前記第2挟持体により前記積層体を挟持する挟持体と、
前記環状シール部の装着箇所を、前記積層方向において前記挟持体に対して押圧する押圧機構と、
を備える電気化学モジュール。 - 前記押圧機構は、前記第1挟持体に設けられた第1螺合部材と、前記第1螺合部材との螺合により前記環状シール部を前記積層方向に押圧可能な第2螺合部材とを備える、請求項1に記載の電気化学モジュール。
- 前記第1螺合部材は筒状部材であり、内周面に雌ネジ部を有しており、
前記第2螺合部材は筒状部材であり、外周面に雄ネジ部を有しており、
前記第2螺合部材の前記雄ネジ部を前記第1螺合部材の前記雌ネジ部に螺合させる、請求項2に記載の電気化学モジュール。 - 前記第1ガスを前記環状シール部に供給又は前記環状シール部から排出するために、前記積層体に連結された通流管を備え、
前記押圧機構は、前記通流管を介して前記環状シール部が存在する領域を前記積層方向に沿って押圧し、
前記押圧機構の熱膨張率は、前記通流管の熱膨張率以下である、請求項2又は3のいずれか1項に記載の電気化学モジュール。 - 前記押圧機構は、前記第2螺合部材と前記通流管との間の電気絶縁性のシール部を備える、請求項4に記載の電気化学モジュール。
- 前記第1平面及び前記第2平面の少なくとも一方に沿って配置されている、弾性を有する平板状部材を備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学モジュール。
- 前記第1挟持体と前記第2挟持体との間に前記積層体を挟んだ状態で、前記第1挟持体と前記第2挟持体とを締結する締結部材を備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学モジュール。
- 前記基板は、前記環状シール部を介して前記第1ガスが導入される内部流路を内部に有しており、
前記積層方向に隣接する電気化学素子間に、前記還元性成分ガス及び前記酸化性成分ガスのうちの他方である第2ガスが通流する通流部が形成されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気化学モジュール。 - 各電気化学素子の基板は、前記第1ガスを通流する供給路を形成する第1貫通部を有し、
各電気化学素子の第1貫通部は、隣接する電気化学素子の間に介在する環状シール部の環状孔と連通している、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気化学モジュール。 - 前記複数の電気化学素子では、第1電気化学素子と第2電気化学素子とが互いに隣接して積層されており、
各電気化学素子を構成する前記基板は、前記環状シール部を介して前記第1ガスが通流する内部流路を内部に有しており、
前記第1電気化学素子を構成する前記基板と、前記第2電気化学素子を構成する前記基板とが対向する形態で、且つ、前記第1電気化学素子を構成する前記基板における電気化学反応部が配置される外面と、前記第2電気化学素子を構成する前記基板における前記電気化学反応部が配置される側とは別の外面とが電気的に接続されており、且つ、これら両外面どうしの隣接間に、当該両外面に沿って還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの他方である第2ガスが通流する通流部が形成されている、請求項9に記載の電気化学モジュール。 - 各電気化学素子を構成する前記基板には、当該基板の内側である前記内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部が形成されており、
前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、前記電極層と前記電解質層と前記対極電極層とにより電気化学反応部が形成されており、
前記基板の表面貫通方向外方と前記内部流路とに亘って前記第1ガスが流通する供給路を形成する第1貫通部が形成されている、請求項10に記載の電気化学モジュール。 - 前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第1貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第1環状シール部を備え、
前記第1貫通部及び前記第1環状シール部により、前記内部流路との間に前記第1ガスを流通する前記供給路が形成される請求項11に記載の電気化学モジュール。 - 前記基板は、前記内部流路を通流する前記第1ガスを前記基板の表面貫通方向外方と流通させる排出路を形成する第2貫通部を備え、
前記通流部内において、前記両外面に夫々形成される前記第2貫通部を前記通流部と区画する前記環状シール部としての第2環状シール部を備え、
前記第2貫通部及び前記第2環状シール部により、前記内部流路を通流する前記第1ガスが流通する前記排出路が形成される請求項11又は12に記載の電気化学モジュール。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の電気化学モジュールと燃料変換器とを少なくとも有し、前記電気化学モジュールに対して燃料変換器からの還元性成分ガスを流通する、あるいは前記電気化学モジュールから燃料変換器に還元性成分ガスを流通する燃料供給部を有する電気化学装置。
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する電気化学装置。
- 請求項14または15に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置もしくは燃料変換器から排出される熱を再利用する排熱利用部とを有するエネルギーシステム。
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