JP2023072926A - 電解セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電解効率を高めた電解セルを提供する。【解決手段】電解セル１０は、支持基板４と、素子部５と、触媒部１３と、を備える。支持基板４は、水素及び二酸化炭素が流れる流路４３を内部に有する。素子部５は、支持基板４に支持される。触媒部１３は、水素と二酸化炭素との反応を促進するための触媒を有する。触媒部１３は、水素及び二酸化炭素の流通方向において素子部５に対して上流側に配置される。【選択図】図５

Description

本発明は、電解セル、及びセルスタック装置に関するものである。

セラミックス製の電極および電解質からなる電解セルを用いて、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）を共電解することで、水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）を合成する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載された電解セルは、素子部と、素子部を支持する支持基板とを有している。

特許第６１１０２４６号公報

上述したような電解セルにおいて、電解効率を高めたいという要請がある。

本発明の課題は、電解効率を高めた電解セルを提供することにある。

本発明の第１側面に係る電解セルは、支持基板と、少なくとも１つの素子部と、触媒部と、を備える。支持基板は、水素及び二酸化炭素が流れる流路を内部に有する。素子部は、支持基板に支持される。触媒部は、水素と二酸化炭素との反応を促進するための触媒を有する。触媒部は、水素及び二酸化炭素の流通方向において素子部に対して上流側に配置される。

この構成によれば、素子部に対して上流側に触媒部が配置される。触媒部は、水素（Ｈ₂）と二酸化炭素（ＣＯ₂）との反応を促進して水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を生成する。そのため、触媒部に対して下流側に位置する素子部に、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）を供給する反応ガス供給部から供給されるガスに含まれる水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に加えて、触媒部において生成した水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を供給することができる。その結果、より多くの水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が共電解に用いられ、電解効率を高めることができる。

好ましくは、少なくとも１つの素子部は複数の素子部を含む。複数の素子部は、流通方向に沿って配列される。触媒部は、複数の素子部のうち流通方向の最下流に位置する最下流素子部に対して上流側に配置される。

この構成によれば、各素子部が支持基板の二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）の流通方向に配列されている、いわゆる横縞型のセルスタック装置において、触媒部は、最下流に位置する素子部に対して上流側に配置される。そのため、触媒部に対して下流側に位置する素子部に、反応ガス供給部から供給されるガスに含まれる水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に加えて、触媒部において生成した水蒸気（Ｈ₂Ｏ）も供給することができる。その結果、より多くの水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が共電解に用いられ、電解効率を高めることができる。

好ましくは、少なくとも１つの素子部は複数の素子部を含む。複数の素子部は、流通方向に沿って配列される。触媒部は、複数の素子部のうち流通方向の最上流に位置する最上流素子部に対して上流側に配置される。

この構成によれば、横縞型のセルスタック装置において、触媒部は、最上流に位置する素子部に対して上流側に配置される。そのため、より早い段階で多くの水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を生成することができ、触媒部に対して下流側に位置するより多くの素子部において電解効率を高めることができる。

好ましくは、素子部は、酸素極と、水素極と、電解質と、を有する。水素極は、酸素極と支持基板との間に配置される。電解質は、酸素極と水素極との間に配置される。触媒部は、水素極と同じ材料で構成される。

好ましくは、触媒部は、平面視において流路と重複するように支持基板上に配置される。

好ましくは、支持基板は、表面に凹部を有する。触媒部は、支持基板の凹部に配置される。

好ましくは、触媒部は、電子伝導性を有しない。

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、電解セルと、供給部材と、触媒部と、を備える。供給部材は、電解セルに水素及び二酸化炭素を供給する。触媒部は、水素と二酸化炭素との反応を促進するための触媒を有する。触媒部は、供給部材に配置される。

好ましくは、セルスタック装置は、マニホールドを有する。マニホールドは、供給室を有する。触媒部は、供給室内に配置される。

好ましくは、マニホールドは、供給室を画定する内壁面を覆う第１酸化被膜を有する。触媒部は、第１酸化被膜上に配置される。

好ましくは、触媒部は、供給室内に充填される。

好ましくは、供給部材は、マニホールドと、配管と、を有する。マニホールドは、供給室を有する。配管は、供給室に水素及び二酸化炭素を供給する。触媒部は、配管内に配置される。

好ましくは、配管は、内壁面を覆う第２酸化被膜を有する。触媒部は、第２酸化被膜の上に配置される。

好ましくは、触媒部は、配管内に充填される。

本発明によれば、電解効率を高めた電解セルを提供することができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの平面図。 セルスタック装置の断面図。 マニホールドに取り付けられた電解セルの平面図。 電解セルの断面図。 上流部における電解セルの断面図。 下流部における電解セルの断面図。 マニホールド表面近辺の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 配管の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。

以下、本実施形態に係る電解セルについて図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、電解セルの一例として固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を用いて説明する。以下の説明において、上流とは、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）の流通方向の上流を意味する。以下の説明において、下流とは、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）の流通方向の下流を意味する。図１はセルスタック装置を示す斜視図、図２はマニホールド２の断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの電解セルの記載を省略している。

［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、供給部材２０と、複数の電解セル１０と、触媒部１３と、を備えている。

［供給部材］
供給部材２０は、マニホールド２と、配管２５と、を備える。供給部材２０は、電解セル１０に水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）を供給する。供給部材２０には、水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）以外のガスが流れてもよい。

［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、複数の電解セル１０のそれぞれにガスを分配するように構成されている。また、マニホールド２は、電解セル１０によって生成されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、供給室２１と回収室２２とを有している。供給室２１には、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）などが供給される。回収室２２は、各電解セル１０にて生成された水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）などを回収する。

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を供給室２１と回収室２２とに気密に仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の長手方向に延びている。

供給室２１の底面には、供給口２１１が形成されている。また、回収室２２の底面には、排出口２２１が形成されている。なお、供給口２１１及び排出口２２１は、底面ではなく側面や上面に形成されていてもよい。

供給口２１１は、例えば、電解セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、排出口２２１は、例えば、電解セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、供給室２１及び回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、供給室２１と連通する部分と回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

図４に示すように、マニホールド２は、第１酸化被膜２６を有している。詳細には、供給室２１を画定する内壁面上に第１酸化被膜２６が配置されている。供給室２１を画定する内壁面は、第１酸化被膜２６に覆われていてもよい。また、仕切板２４上に第１酸化被膜２６が配置されていてもよい。第１酸化被膜２６は、例えば、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、マンガンクロムスピネル（Ｍｎ，Ｃｒ）₃Ｏ₄、又は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化マンガン（ＭｎＯ、Ｍｎ₂Ｏ₃、Ｍｎ₃Ｏ₄）などによって構成されている。第１酸化被膜２６は複数の酸化物層から構成されていてもよい。また、第１酸化被膜２６は、拡散元素が含まれた酸化物によって構成されていてもよい。

［配管２５］
図１及び図２に示すように、配管２５は、マニホールド２に連結している。詳細には、配管２５の一端部は、マニホールド２の供給口２１１と連結している。配管２５は、溶接又は接合材などによって、マニホールド２に固定されている。配管２５は、供給室２１に水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）などの反応ガスを供給する。

配管２５の他端部は、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）などのタンクおよび供給制御装置などの反応ガス供給部（図示せず）と連結される。

図４に示すように、配管２５は、第２酸化被膜２７を有している。詳細には、配管２５の内壁面上に第２酸化被膜２７が配置されている。第２酸化被膜２７は、例えば、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、マンガンクロムスピネル（Ｍｎ，Ｃｒ）₃Ｏ₄、又は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化マンガン（ＭｎＯ、Ｍｎ₂Ｏ₃、Ｍｎ₃Ｏ₄）などによって構成されている。第２酸化被膜２７は複数の酸化物層から構成されていてもよい。また、第２酸化被膜２７は、拡散元素が含まれた酸化物によって構成されていてもよい。なお、図４では、第２酸化被膜２７は、マニホールド２の第１酸化被膜２６と連結しているが、第２酸化被膜２７は、第１酸化被膜２６から離れていてもよい。

［電解セル］
図４及び図５に示すように、電解セル１０は、マニホールド２から第１方向に延びている。なお、本実施形態では、電解セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。

電解セル１０は、上流部１０１及び下流部１０２を有している。電解セル１０は、上流部１０１においてマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各電解セル１０の上流部１０１を支持している。一方、電解セル１０の下流部１０２は、マニホールド２などに固定されていない。すなわち、電解セル１０の下流部１０２は、自由端となっている。本実施形態では、電解セル１０の上流部１０１は下端部を意味し、電解セル１０の下流部１０２は上端部を意味する。

図１に示すように、各電解セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各電解セル１０は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、電解セル１０の配列方向は、マニホールド２の長手方向に沿っている。

図４及び図５に示すように、電解セル１０は、支持基板４と、複数の素子部５と、触媒部１３と、を有している。また、電解セル１０は、連通部材３をさらに有している。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、板状である。詳細には、支持基板４は、平面視（ｚ軸方向視）が長方形状である。支持基板４は、長手方向（ｘ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）とを有している。本実施形態では、図４及び図５の上下方向（ｘ軸方向）が支持基板４の長手方向であり、図４及び図５の左右方向が（ｙ軸方向）が支持基板４の幅方向である。

支持基板４は、上流部４１と下流部４２とを有している。上流部４１及び下流部４２は、支持基板４の長手方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の上流部４１は下端部を意味し、支持基板４の下流部４２は上端部を意味する。

支持基板４の上流部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の上流部４１は、接合材４００などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の上流部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３２に挿入されている。なお、支持基板４の上流部４１は、貫通孔２３２に挿入されていなくてもよい。すなわち、支持基板４の第１端面４１１によって貫通孔２３２を覆うように、支持基板４が天板部２３１上に載置されていてもよい。

支持基板４には、複数の第１流路４３、及び１つの第２流路４４が形成されている。第１流路４３の数は、第２流路４４の数よりも多い。

第１及び第２流路４３、４４は、支持基板４内を第１方向に延びている。なお、第１方向とは、第１及び第２流路４３，４４が延びる方向を意味する。本実施形態では、第１及び第２流路４３，４４は、支持基板４の長手方向に延びている。また、第１方向と交差する方向を「第２方向」と称する。なお、本実施形態では、第２方向は第１方向と直交している。第２方向は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に沿って延びている。

第１及び第２流路４３、４４は、支持基板４を貫通している。各第１流路４３は、第２方向において互いに間隔をあけて配置されている。また、各第２流路４４は、第２方向において第１流路４３と間隔をあけて配置されている。すなわち、各第１流路４３と第２流路４４とは、第２方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、第１流路４３と第２流路４４との間隔は、第１流路４３同士の間隔よりも大きいことが好ましい。

第１流路４３は、その上流部４３１において、供給室２１と連通している。このため、第１流路４３には、供給室２１からＨ₂、Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂などが供給される。すなわち、第１流路４３の上流部４３１から下流部４３２に向かって、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂などが流れる。第１流路４３には、Ｈ₂、Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂以外のガスが流れてもよい。

第２流路４４は、その下流部４４２において、第１流路４３と連通している。すなわち、第１流路４３の下流部４３２と第２流路４４の下流部４４２は互いに連通している。詳細には、第１流路４３の下流部４３２と、第２流路４４の下流部４４２とは、後述する連通流路３０を介して連通している。また、第２流路４４は、その上流部４４１において、回収室２２と連通している。

第２流路４４には、電解セル１０によって生成されたＨ₂及びＣＯなどが下流部４４２から上流部４４１に向かって流れる。そして、第２流路４４内を流れるＨ₂及びＣＯなどは、第２流路４４の上流部４４１から回収室２２に排出される。

支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、Ｙ₂Ｏ₃（イットリア）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄（マグネシアアルミナスピネル）あるいはこれらの複合物などによって構成することができる。支持基板４の気孔率は、例えば、２０～６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法により測定される。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１流路４３及び第２流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の表面のうち、素子部５が形成されていない部分を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７に使用される材料、又は結晶化ガラス等によって構成することができる。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０～７％程度である。

図６は、第２方向と直交する面で電解セル１０を切断した切断面を示している。なお、図６は、第１流路４３に沿って電解セル１０を切断した切断面である。

図６及び図７に示すように、支持基板４は、第１主面４５、第２主面４６、複数の第１凹部４９、第２凹部１４９及び複数の桟部５０を有している。各第１凹部４９は、第１方向において、互いに間隔をあけて配置されている。第１凹部４９は、第２方向に延びている。第２凹部１４９は、第２方向に延びている。第２凹部１４９は、第１凹部４９に対して上流側に配置されている。なお、第１凹部４９及び第２凹部１４９は、平面視（ｚ軸方向視）において、第２流路４４と重複する部分には形成されていない。

桟部５０は、一対の第１凹部４９の間に配置される。すなわち、一対の第１凹部４９の間の部分が桟部５０となる。桟部５０は、第２方向に延びている。第１方向において、第１凹部４９と桟部５０とが交互に配置される。

［連通部材］
図４に示すように、電解セル１０は、第１流路４３と第２流路４４とを連通する連通流路３０を有している。なお、連通流路３０は、支持基板４に取り付けられた連通部材３に形成されている。連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０～７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料、上述した電解質７に使用される材料、又は結晶化ガラス等によって形成することができる。

［素子部］
図５に示すように、複数の素子部５が、支持基板４上に配置されている。なお、本実施形態では、支持基板４の両面において、複数の素子部５が支持されている。なお、第１主面４５に形成される素子部５の数と第２主面４６に形成される素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６のどちらか一方のみに支持されていてもよい。

複数の素子部５は、第１方向に配列されている。すなわち、本実施形態に係る電解セル１０は、いわゆる横縞型の電解セルである。本明細書において、複数の素子部５のうち流通方向の最下流に位置する素子部５を、最下流素子部５２という。本明細書において、複数の素子部５のうち流通方向の最上流に位置する素子部５を、最上流素子部５３という。なお、複数の素子部５は、インターコネクタ９（図６参照）によって、互いに電気的に直列に接続されている。

素子部５は、第２方向に延びている。素子部５は、平面視（ｚ軸方向視）において、第１流路４３と重複する一方で、第２流路４４とは重複していない。すなわち、第１流路４３は、平面視において素子部５と重複するように配置されており、第２流路４４は、平面視において、素子部５と重複しないように配置されている。なお、平面視とは、電解セル１０の厚さ方向に沿って見ることを言う。

支持基板４は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに分けることができる。第１領域Ｒ１は、第１方向視（ｘ軸方向視）において、供給室２１と重複する領域である。第２領域Ｒ２は、第１方向視（ｘ軸方向視）において、回収室２２と重複する領域である。

素子部５は、支持基板４の第１領域Ｒ１に配置されており、第２領域Ｒ２には配置されていない。また、第１流路４３は、支持基板４の第１領域Ｒ１内に形成されており、第２流路４４は、支持基板４の第２領域Ｒ２内に形成されている。

図６に示すように、素子部５は、水素極６（カソード）、電解質７、及び酸素極８（アノード）を有している。支持基板４側から、水素極６、電解質７、酸素極８の順で配置されている。素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。

［水素極］
水素極６は、下記（１）～（３）式に示す化学反応に従って、共電解反応によりＣＯ₂及びＨ₂Ｏから、Ｈ₂、ＣＯ、及びＯ^2-を生成する。なお、下記（１）～（３）式は全て吸熱反応である。
・水素極６：
Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂ ＋ Ｏ^2-・・・（１）
ＣＯ₂ ＋ ２ｅ^- → ＣＯ ＋ Ｏ^2-・・・（２）
ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ → ＣＯ ＋Ｈ₂Ｏ・・・（３）

水素極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。水素極６は、焼成体である。水素極６は、水素極集電部６１と水素極活性部６２とを有する。各水素極６は、支持基板４上に配置されている。各水素極６は、第１方向（ｘ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

［水素極集電部］
水素極集電部６１は、第１凹部４９内に配置されている。第１凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、水素極集電部６１は、第１凹部４９を埋めており、第１凹部４９と同様の形状を有する。

水素極集電部６１の主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と実質的に同一面上にある。すなわち、支持基板４の第１主面４５と、各水素極集電部６１の主面６１１とによって、一つの面が構成されている。なお、水素極集電部６１の主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と完全に同一面上になくてもよく、例えば、支持基板４の第１主面４５との間に２０μｍ以下程度の段差があってもよい。

水素極集電部６１は、電子伝導性を有する。水素極集電部６１は、水素極活性部６２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。水素極集電部６１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

水素極集電部６１は、遷移金属酸化物微粒子、金属微粒子、Ｎｉ又は８ＹＳＺの複合物、又は、ＮｉＯ及びＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₂（ガドリニウムドープセリア）の複合物などによって構成することができる。遷移金属酸化物微粒子としては、具体的に、ＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、及びＦｅ₃Ｏ₄などを挙げることができ、金属微粒子としては、具体的に、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＲｕなどを挙げることができる。水素極集電部６１の厚さ、及び第１凹部４９の深さは、例えば、５０～５００μｍ程度である。

［水素極活性部］
水素極活性部６２は、水素極集電部６１の主面６１１上に配置されている。このため、水素極活性部６２は、第１凹部４９から突出している。すなわち、水素極活性部６２は、水素極集電部６１に埋設されていない。水素極活性部６２の端縁は、主面６１１上において、水素極集電部６１の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、水素極活性部６２は、水素極集電部６１よりも平面視（ｚ軸方向視）の面積が小さい。そして、水素極活性部６２は、水素極集電部６１の主面６１１内に収まっている。

水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。水素極活性部６２は、水素極集電部６１より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。

水素極活性部６２は、遷移金属酸化物微粒子、金属微粒子、Ｎｉ又は８ＹＳＺの複合物、又は、ＮｉＯ及びＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₂（ガドリニウムドープセリア）の複合物などによって構成することができる。遷移金属酸化物微粒子としては、具体的に、ＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、及びＦｅ₃Ｏ₄などを挙げることができ、金属微粒子としては、具体的に、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＲｕなどを挙げることができる。水素極活性部６２は、水素極集電部６１よりも薄い。水素極活性部６２の厚さは、例えば、５～３０μｍ程度である。

［電解質］
電解質７は、水素極６と酸素極８との間に配置される。電解質７は、酸素イオン伝導性を有する。電解質７は、水素極６において生成されたＯ^2-を酸素極８に伝達させる。電解質７は、水素極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９から他のインターコネクタ９まで第１方向に延びている。すなわち、第１方向において、電解質７とインターコネクタ９とが交互に配置されている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０～７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、又は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。電解質７の厚さは、例えば、３～５０μｍ程度である。

［反応防止膜］
反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、水素極活性部６２と略同一の形状であり、水素極活性部６２と重複するように配置されている。反応防止膜１１は、電解質７を介して、水素極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと酸素極活性部８１内のＳｒとが反応して電解質７と酸素極活性部８１との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₂（ガドリニウムドープセリア）などによって構成することができる。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３～５０μｍ程度である。

［酸素極］
酸素極８は、下記（４）式に示す化学反応に従って、電解質７を介して水素極６より伝達されるＯ^2-からＯ₂を生成する。
・酸素極８：２Ｏ^2-→Ｏ₂＋４ｅ^-・・・（４）

酸素極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。酸素極８は、焼成体である。酸素極８は、水素極６と協働して電解質７を挟むように配置されている。酸素極８は、酸素極活性部８１及び酸素極集電部８２を有している。

［酸素極活性部］
酸素極活性部８１は、反応防止膜１１上に配置されている。酸素極活性部８１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。酸素極活性部８１は、酸素極集電部８２より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。

酸素極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。酸素極活性部８１は焼成体である。酸素極活性部８１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ₃（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ₃（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ₃（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃（ランタンストロンチウムコバルタイト）、又はＳＳＣ＝（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃（サマリウムストロンチウムコバルタイト）、およびそれらとＧＤＣなどの酸素イオン伝導材料との複合物によって構成することができる。また、酸素極活性部８１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。酸素極活性部８１の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。

［酸素極集電部］
酸素極集電部８２は、酸素極活性部８１上に配置されている。酸素極集電部８２は、酸素極活性部８１から、隣の素子部５に向かって延びている。酸素極集電部８２は、インターコネクタ９を介して隣の素子部５の水素極集電部６１と電気的に接続されている。なお、水素極集電部６１と酸素極集電部８２とは、第１方向において、反応領域から互いに反対側に延びている。なお、反応領域とは、電解セル１０の平面視（ｚ軸方向視）において、水素極活性部６２と電解質７と酸素極活性部８１とが重複する領域である。

酸素極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。酸素極集電部８２は、焼成体である。酸素極集電部８２は、酸素極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。酸素極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

酸素極集電部８２は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、又は、Ａｇ－Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。なお、酸素極集電部８２の厚さは、例えば、５０～５００μｍ程度である。

［インターコネクタ］
インターコネクタ９は、第１方向において隣り合う素子部５同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ９は、隣り合う素子部５の一方の素子部５の水素極６と、他方の素子部５の酸素極８とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ９は、隣り合う素子部５の一方の素子部５の水素極集電部６１と、他方の素子部５の酸素極集電部８２とを電気的に接続している。

このように、各素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて電解セル１０の上流部１０１から下流部１０２まで直列に接続されている。

インターコネクタ９は、水素極集電部６１の主面６１１上に配置されている。インターコネクタ９は、第１方向において、水素極活性部６２と間隔をあけて配置されている。

インターコネクタ９は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される。インターコネクタ９は、焼成体である。インターコネクタ９は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９の気孔率は、０～７％程度である。インターコネクタ９は、例えば、ＬａＣｒＯ₃（ランタンクロマイト）、又は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ₃（ストロンチウムチタネート）などによって構成することができる。インターコネクタ９の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。

第２主面４６において最上流に配置された素子部５の酸素極集電部８２は、第２主面４６から支持基板４の側面を介して第１主面４５まで延びている。すなわち、この最上流に配置された素子部５の酸素極集電部８２は、環状に延びている。そして、第１主面４５において最上流に配置されたインターコネクタ９は、第２主面４６から第１主面４５まで延びる酸素極集電部８２と、第１主面４５において最上流に配置された素子部５の水素極集電部６１と、を電気的に接続している。

このように、第１主面４５において直列接続された複数の素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の素子部５とは、インターコネクタ９によって、電解セル１０の上流部１０１において直列接続されている。

［集電部材］
図８に示すように、セルスタック装置１００は、集電部材１２をさらに有している。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の間に配置されている。そして、集電部材１２は、隣り合う電解セル１０を互いに電気的に接続している。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の下流部１０２同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の素子部５のうち、最下流に配置された素子部５に対して下流に配置されている。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の最下流に配置された素子部５同士を電気的に接続している。

集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、素子部５から延びる酸素極集電部８２に接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）₃Ｏ₄、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ₃などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

［触媒部］
図５に示すように、触媒部１３は、素子部５に対して上流側に配置される。詳細には、触媒部１３は、最下流素子部５２に対して上流側に配置される。なお、触媒部１３は、桟部５０内には配置されていないが、桟部５０内に配置されていてもよい。触媒部１３は、素子部５と別の素子部５との間に配置されてもよい。

触媒部１３は、平面視において第１流路４３と重複するように支持基板４上に配置されている。なお、触媒部１３は、素子部５から電気化学的に絶縁されている。すなわち、触媒部１３は、素子部５から離れた位置に配置されている。

図７に示すように、触媒部１３は、第２凹部１４９内に配置されている。第２凹部１４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、触媒部１３は、第２凹部１４９を埋めており、第２凹部１４９と同様の形状を有する。

触媒部１３の主面１３１は、支持基板４の第１主面４５と実質的に同一面上にある。すなわち、支持基板４の第１主面４５と、触媒部１３の主面１３１とによって、一つの面が構成されている。触媒部１３の主面１３１上には、電解質７が配置されている。なお、触媒部１３の主面１３１上には、電解質７のみが配置されている。

触媒部１３は、第１流路４３内から供給される二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）との反応を促進する触媒を含む。触媒部１３は、水素極６と同じ材料で構成されている。詳細には、このような触媒としては、例えば、遷移金属酸化物微粒子、金属微粒子、Ｎｉ又は８ＹＳＺの複合物、又は、ＮｉＯ及びＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₂（ガドリニウムドープセリア）の複合物などを用いることができ、遷移金属酸化物微粒子としては、具体的に、ＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、及びＦｅ₃Ｏ₄などを挙げることができ、金属微粒子としては、具体的に、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＲｕなどを挙げることができる。

触媒部１３では、下記（５）式のように、水素極６で起こる（３）式と同じ反応が起こる。触媒部１３は、（５）式に示す化学反応に従って、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）から、Ｈ₂Ｏを生成する反応を触媒する。
・触媒部１３：ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ → ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ・・・（５）

第１流路４３から供給された二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水素（Ｈ₂）が触媒部１３に供給されることによって、触媒部１３において上記（５）式で示す反応が起こる。すなわち、第１流路４３において、触媒部１３に対して下流側で供給されるＨ₂Ｏが増える。

上記のように、水素極６において起こっていた吸熱反応の一部を触媒部１３で起こるように構成したことによって、吸熱反応が起こる場所を分散させることができる。
［使用方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、電極間に電力を供給しながら、マニホールド２の供給室２１にＨ₂Ｏ、ＣＯ₂及びＨ₂を供給する。そして、第１流路４３内を流れるＨ₂Ｏ及びＣＯ₂が素子部５において共電解されて、Ｈ₂、及びＣＯが生成される。このように生成されたＨ₂、及びＣＯは、第２流路４４内を流れて、回収室２２で回収される。本実施形態においては、素子部５に対して上流側に触媒部１３が配置される。触媒部１３は、Ｈ₂とＣＯ₂との反応を促進してＨ₂Ｏを生成する。そのため、触媒部１３に対して下流側に位置する素子部５に、反応ガス供給部から供給されるガスに含まれるＨ₂Ｏに加えて、触媒部１３で生成したＨ₂Ｏも素子部５に供給することができる。その結果、より多くのＨ₂Ｏが共電解に用いられ、電解効率を高めることができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（ａ）上記実施形態において、触媒部１３は、支持基板４に配置されることとしたが、これに限らない。触媒部１３は、供給部材２０に配置されてもよい。詳細には、触媒部１３は、供給部材２０のマニホールド２の供給室２１を画定する内壁面上に配置されてもよい。触媒部１３は、マニホールド２の供給室２１を画定する内壁面を覆うように配置されてもよい。この場合、図９に示すように、触媒部１３は、供給室２１の第１酸化被膜２６上に配置される。すなわち、マニホールド２の内壁側から、第１酸化被膜２６、触媒部１３、の順に積層する。

また、図１０に示すように、触媒部１３は、マニホールド２の供給室２１内に充填されていてもよい。この場合、触媒部１３は例えば、触媒粒子をペレット状に固めた物を用いることができる。

本変形例においては、上記実施形態では電解セル１０の水素極６において起こっていた吸熱反応の一部を供給部材２０で起こるように構成したことによって、吸熱反応が起こる場所を分散させることができる。

（ｂ）触媒部１３は、供給部材２０の配管２５の内壁面上に配置されてもよい。触媒部１３は、配管２５の内壁面を覆うように配置されてもよい。この場合、図１１に示すように、触媒部１３は、配管２５の第２酸化被膜２７上に配置される。すなわち、配管２５の内壁面側から、第２酸化被膜２７、触媒部１３、の順に積層する。

また、図１０に示すように、触媒部１３は、配管２５内に充填されていてもよい。この場合、触媒部１３は例えば、触媒粒子をペレット状に固めた物を用いることができる。

本変形例においては、上記実施形態では電解セル１０の水素極６において起こっていた吸熱反応の一部を配管２５で起こるように構成したことによって、吸熱反応が起こる場所を分散させることができる。

（ｃ）上記実施形態において、触媒部１３は、水素極６と同じ材料で構成されたが、これに限らない。触媒部１３は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）との反応を促進する触媒材料で構成されていれば、特に限定されない。

触媒部１３は、電子伝導性を有しないものであってもよい。この場合、触媒部１３には、例えば、遷移金属酸化物微粒子、金属微粒子、Ｎｉ又は８ＹＳＺの複合物粒子、又は、ＮｉＯ及びＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₂（ガドリニウムドープセリア）の複合物粒子などを用いることができる。さらに、これらの粒子を、粒子同士が互いに接触しない程度の含有量を含ませることで、電子伝導性を有しない触媒部１３を構成する。遷移金属酸化物微粒子としては、具体的に、ＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、及びＦｅ₃Ｏ₄などを挙げることができ、金属微粒子としては、具体的に、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＲｕなどを挙げることができる。

（ｄ）上記実施形態では、触媒部１３は１つだけであったが、触媒部１３は複数存在してもよい。この場合は、最下流側の触媒部１３が、最下流素子部５２に対して上流側に配置される。各触媒部１３は、流通方向（ｘ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

（ｅ）上記実施形態では、連通流路３０は連通部材３に形成されていたが、連通流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、連通流路３０は、支持基板４内に形成されていてもよい。この場合、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１流路４３と第２流路４４とが連通されている。

（ｆ）上記実施形態では、第１流路４３の下流部４３２と第２流路４４の下流部４４２とが連通流路３０を介して間接的に連通していたが、第１及び第２流路４３，４４の構成はこれに限定されない。例えば、第１流路４３の下流部４３２と第２流路４４の下流部４４２とが直接連通していてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、電解セル１０は、複数の素子部５を有していたが、電解セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、電解セル１０は、１つの素子部５のみを有する構成であってもよい。この場合、素子部５は、支持基板４の第１主面４５から側面を介して第２主面４６まで延びている構成とすることができる。

（ｈ）上記実施形態では、支持基板４の第１領域Ｒ１において素子部５が形成される一方で、支持基板４の第２領域Ｒ２には何も形成されていないが、電解セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、素子部５から第２領域Ｒ２に向かって延びるような調整部材５１を形成することができる。

調整部材５１は、素子部５と同様の形状をしている一方で、素子部５とは異なる材料で構成されている。第２流路４４内を流れるＨ₂Ｏ及びＣＯ₂は、この調整部材５１において、共電解されることはない。調整部材５１は、電解セル１０を製造する際の焼成時の収縮挙動が素子部５と近いような構成とすることができる。これにより、電解セル１０をより適切に焼成することができる。

（ｉ）上記実施形態の電解セルは、各素子部５が支持基板４の流通方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の電解セルであるが、電解セルの構成はこれに限定されない。例えば、電解セルは、支持基板４の第１主面４５に１つの素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の電解セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

（ｊ）上記実施形態において、セルスタック装置１００は、いわゆる円筒平板型の電解セルを備えることとしたが、セルスタック装置１００の構成はこれに限定されない。例えば、セルスタック装置１００は、いわゆる平板型の電解セルを備えてもよい。この場合、図１４及び図１５に示すように、セルスタック装置１００は、複数の電解セル１０と、供給部材２０と、第２マニホールド９３と、回収部材９５，９６と、触媒部１３と、複数のインターコネクタ９４と、を備える。セルスタック装置１００は、インターコネクタ９４を介して複数の電解セル１０が積層された構造を有する。

供給部材２０は、電解セル１０に水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）を供給する。供給部材２０には、水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）以外のガスが流れてもよい。

供給部材２０は、第１マニホールド９２および配管９７を有する。第１マニホールド９２には、積層方向（ｚ軸）に沿って水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）などのガスが流れる供給室９２１が形成されている。回収部材９５は、水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）などのガス排出管として用いられる。電解セル１０で生成された水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）も、回収部材９５を通して回収される。

配管９７は、第１マニホールド９２に連結している。配管９７は、供給室９２１に水素（Ｈ₂）及び二酸化炭素（ＣＯ₂）などの反応ガスを供給する。

第２マニホールド９３内部には、空気が流れる。回収部材９６は、空気および酸素（Ｏ₂）排出管として用いられる。

電解セル１０は、水素極６と、電解質７と、酸素極８とを有する。電解セル１０は、平面視（ｚ軸方向視）において、矩形状である。電解質７は、平板状であり、主面が積層方向（ｚ軸方向）を向いている。酸素極８は、電解質７の一方の主面に配置されている。水素極６は、電解質７の他方の主面に配置されている。電解質７は、水素極６と酸素極８との間に配置される。本実施形態では、電解質７の上面に酸素極８が配置され、電解質７の下面に水素極６が配置されている。水素極６は、電解質７及び酸素極８より厚い。

触媒部１３は、供給部材２０に配置される。詳細には、触媒部１３は、供給部材２０のマニホールド９２の供給室９２１に配置される。好ましくは、触媒部１３は、最も上流に配置される電解セル１０に対して上流側に配置される。本変形例においては、触媒部１３は、供給室９２１に充填されている。触媒部１３は、配管９７内に配置されてもよい。

なお、本変形例では、平板型の電解セル１０は、水素極６が支持体としての機能を担う水素極支持型セルであったが、これに限定されない。平板型の電解セル１０は、電解質７が支持体としての機能を担う電解質支持型セルであってもよい。平板型の電解セル１０は、酸素極８が支持体としての機能を担う酸素極支持型セルであってもよい。平板型の電解セル１０は、水素極６又は酸素極８に接合された金属基板が支持体としての機能を担うメタルサポート型セルであってもよい。電解セル１０が電解質支持型セルである場合、電解質７は、水素極６及び酸素極８より厚くてよい。電解セル１０が酸素極支持型セルである場合、酸素極８は、水素極６及び電解質７より厚くてよい。

２ ：マニホールド
４ ：支持基板
５ ：素子部
１０ ：電解セル
１３ ：触媒部
２１ ：供給室
２２ ：回収室
２５ ：配管
３０ ：連通流路
４３ ：第１流路
４４ ：第２流路
５２ ：最下流素子部
５３ ：最上流素子部
１００ ：セルスタック装置

Claims (14)

1. 水素及び二酸化炭素が流れる流路を内部に有する支持基板と、
   支持基板に支持される少なくとも１つの素子部と、
   水素と二酸化炭素との反応を促進するための触媒を有し、水素及び二酸化炭素の流通方向において前記素子部に対して上流側に配置される触媒部と、
   を備える、電解セル。
   
2. 前記少なくとも１つの素子部は複数の素子部を含み、
   前記複数の素子部は、前記流通方向に沿って配列され、
   前記触媒部は、前記複数の素子部のうち前記流通方向の最下流に位置する最下流素子部に対して上流側に配置される、
   請求項１に記載の電解セル。
   
3. 前記少なくとも１つの素子部は複数の素子部を含み、
   前記複数の素子部は、前記流通方向に沿って配列され、
   前記触媒部は、前記複数の素子部のうち前記流通方向の最上流に位置する最上流素子部に対して上流側に配置される、
   請求項１に記載の電解セル。
   
4. 前記素子部は、
   酸素極と、
   前記酸素極と前記支持基板との間に配置される水素極と、
   前記酸素極と前記水素極との間に配置される電解質と、
   を有し、
   前記触媒部は、前記水素極と同じ材料で構成される、
   請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の電解セル。
   
5. 前記触媒部は、平面視において前記流路と重複するように前記支持基板上に配置される、
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電解セル。
   
6. 前記支持基板は、表面に凹部を有し、
   前記触媒部は、前記凹部に配置される、
   請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の電解セル。
   
7. 前記触媒部は、電子伝導性を有しない、
   請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の電解セル。
   
8. 電解セルと、
   前記電解セルに水素及び二酸化炭素を供給する供給部材と、
   水素と二酸化炭素との反応を促進するための触媒を有し、前記供給部材に配置される触媒部と、
   を備える、セルスタック装置。
   
9. 前記供給部材は、供給室を有するマニホールドを有し、
   前記触媒部は、前記供給室内に配置される、
   請求項８に記載のセルスタック装置。
   
10. 前記マニホールドは、前記供給室を画定する内壁面を覆う第１酸化被膜を有し、
    前記触媒部は、前記第１酸化被膜上に配置される、
    請求項９に記載のセルスタック装置。
    
11. 前記触媒部は、前記供給室内に充填される、
    請求項９に記載のセルスタック装置。
    
12. 前記供給部材は、
    供給室を有するマニホールドと、
    前記供給室に水素及び二酸化炭素を供給する配管と、
    を有し、
    前記触媒部は、前記配管内に配置される、
    請求項８に記載のセルスタック装置。
    
13. 前記配管は、内壁面を覆う第２酸化被膜を有し、
    前記触媒部は、前記第２酸化被膜上に配置される、
    請求項１２に記載のセルスタック装置。
    
14. 前記触媒部は、前記配管内に充填される、
    請求項１２に記載のセルスタック装置。

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