JP2023072927A - 電解セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素（Ｃ）の析出を抑制できる電解セルを提供する。【解決手段】電解セル１０は、素子部５と、支持基板４と、を備える。支持基板４は、流路４０、第１領域Ａ１、及び、第２領域Ａ２を有する。第１領域Ａ１は、素子部５が配置される。第２領域Ａ２は、第１領域Ａ１に対して流路４０の下流側に配置される。第２領域Ａ２に含有される遷移金属元素の含有率は、第１領域Ａ１に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない。【選択図】図９

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、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの流通方向における下流側では、共電解によって生成されるＣＯ量が多くなることに起因して、水素極内に炭素（Ｃ）が析出する。炭素（Ｃ）が析出すると、ガスの拡散性が低下してしまい、水素極での電解反応を円滑に進めることが困難となる。

本発明の課題は、炭素（Ｃ）の析出を抑制できる電解セルを提供することにある。

本発明のある側面に係る電解セルは、素子部と、支持基板と、を備える。支持基板は、流路、第１領域、及び、第２領域を有する。第１領域は、素子部が配置される。第２領域は、第１領域に対して流路の下流側に配置される。第２領域に含有される遷移金属元素の含有率は、第１領域に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない。

この構成によれば、素子部が配置される第１領域と、第１領域に対して流路の下流側に配置される第２領域と、を有する支持基板において、第２領域に含有される遷移金属元素の含有率は、第１領域に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない。遷移金属元素は炭素を析出させる反応の触媒として機能する。すなわち、この構成によれば、第２領域に含有される触媒の含有率が少ない。そのため、カーボン活量の高いガス組成となっている下流側において、炭素を析出させる反応が進みにくい。その結果、炭素の析出を抑制することができる。

好ましくは、第２領域は、遷移金属元素を含有しない。この構成によれば、第２領域は、炭素を析出させる反応の触媒を含有しないため、炭素の析出をさらに抑制することができる。

好ましくは、支持基板は、第３領域を有する。第３領域は、第１領域に対して流路の上流側に配置される。第３領域に含有される遷移金属元素の含有率は、第１領域に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない。

好ましくは、第３領域は、遷移金属元素を含有しない。

好ましくは、流路は、第１流路、及び、第２流路を有する。第１流路は、支持基板の基端部から先端部に向かって延びる。第２流路は、第１流路と同じ方向に延びる。第２流路は、その先端部において第１流路と連通する。第１流路は、第１領域に配置される。第２流路は、第２領域に配置される。

本発明によれば、炭素（Ｃ）の析出を抑制できる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。 基端部における電解セルの断面図。 先端部における電解セルの断面図。 マニホールドの断面図。 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。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、マニホールド２と、複数の電解セル１０と、を備えている。

［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）、及び二酸化炭素（ＣＯ₂）などが供給される。なお、供給室２１には、水素（Ｈ₂）がさらに供給されてもよい。回収室２２は、各電解セル１０にて生成された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。

［電解セル］
図４は、セルスタック装置の断面図である。また、図５は、マニホールドに取り付けられた電解セル１０の平面図である。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、基端部１０１及び先端部１０２を有している。電解セル１０は、基端部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の基端部１０１を支持している。一方、電解セル１０の先端部１０２は、マニホールドなどに固定されていない。すなわち、電解セル１０の先端部１０２は、自由端となっている。本実施形態では、電解セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、電解セル１０の先端部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、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、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部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の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。

支持基板４の基端部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の基端部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の基端部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の基端部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、複数の流路４０が形成されている。複数の流路４０は、複数の第１流路４３、及び１つ以上の第２流路４４を有する。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、その基端部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Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂などが供給される。すなわち、第１流路４３の基端部４３１から先端部４３２に向かって、Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂などが流れる。

第２流路４４は、その先端部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の先端部４３２と第２流路４４の先端部４４２は互いに連通している。詳細には、第１流路４３の先端部４３２と、第２流路４４の先端部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、その基端部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などが先端部４４２から基端部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の基端部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、複数の凹部４９、及び複数の桟部５０を有している。各凹部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。凹部４９は、第２方向に延びている。なお、凹部４９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、一対の凹部４９の間に配置される。すなわち、一対の凹部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、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。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、往路領域Ｒ１と復路領域Ｒ２とに分けることができる。往路領域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。復路領域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の往路領域Ｒ１に配置されており、復路領域Ｒ２には配置されていない。また、第１流路４３は、支持基板４の往路領域Ｒ１内に形成されており、第２流路４４は、支持基板４の復路領域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）式に示す共電解の化学反応に従って、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏから、Ｈ₂、ＣＯ、及びＯ^2-を生成する。
・水素極６：ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ ＋ ４ｅ^-→ＣＯ＋Ｈ₂＋２Ｏ^2-・・・（１）

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、凹部４９内に配置されている。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、凹部４９を埋めており、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、例えば、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、ＮｉＯ及びＹ₂Ｏ₃の複合物、又は、ＮｉＯ及びＣＳＺの複合物などによって構成することができる。水素極集電部６１の厚さ、及び凹部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、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、ＮｉＯ及び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。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（２）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^-・・・（２）

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の基端部１０１から先端部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。

図７に示すように、各電解セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタ９は、第１主面４５に配置される素子部５と、第２主面４６に配置される素子部５とを電気的に接続している。

第２主面４６において最も基端側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、この最も基端側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において最も基端側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において最も基端側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の基端部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の先端部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、最も先端側に配置された素子部５よりも先端側に配置されている。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の最も先端側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。

［支持基板４の詳細］
図９に示すように、支持基板４は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び、第３領域Ａ３を有する。なお、図９において、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び、第３領域Ａ３を示す線と重複する支持基板４等の輪郭線は省略している。

第１領域Ａ１は、複数の素子部５が配置される領域である。より詳細には、第１領域Ａ１は、支持基板４のうち、最も基端側に配置された水素極６の基端側の端縁から最も先端側に配置された水素極６の先端側の端縁までの部分である。素子部５の位置が、第１主面４５側と、第２主面４６側と、で流通方向に互いにずれて配置されている場合、第１領域Ａ１は、支持基板４のうち、第１主面４５及び第２主面４６に配置されている水素極６のうち、最も基端側に配置された水素極６の基端側の端縁から最も先端側に配置された水素極６の先端側の端縁までの部分である。第１流路４３は、第１領域Ａ１に配置される。ただし、第１領域Ａ１は、第２領域Ａ２の往路領域Ｒ１の部分にも配置されている。

第２領域Ａ２は、第１領域Ａ１に対して流路４０の下流側に配置される領域である。詳細には、第２領域Ａ２は、最も先端側に配置された水素極６に対して下流側に配置される。ここで、本実施形態において、ガスは、第１流路４３中を基端部４１側から先端部４２側に流れ、連通流路３０を介して、第２流路４４中を先端部４２側から基端部４１側に流れる。つまり、第２領域Ａ２は、往路領域Ｒ１において最も先端側に配置されている水素極６の先端側の端縁から支持基板４の先端側の端縁までの部分と、復路領域Ｒ２と、を含む。第２流路４４は、第２領域Ａ２に配置される。ただし、第２流路４４は、第２領域Ａ２の往路領域Ｒ１の部分には配置されない。

第３領域Ａ３は、第１領域Ａ１に対して流路４０の上流側に配置される領域である。詳細には、第３領域Ａ３は、最も基端側に配置された水素極６に対して上流側に配置される。より詳細には、第３領域Ａ３は、最も基端側に配置されている水素極６の基端側の端縁から支持基板４の基端側の端縁までの部分を含む。

第２領域Ａ２に含有される遷移金属元素の含有率は、第１領域Ａ１に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない。遷移金属元素は、炭素を析出させる反応の触媒として機能する。一般的に、素子部５に対して下流では、雰囲気中のＣＯ量が多いことに起因して炭素（Ｃ）の析出が相対的に発生しやすい。本実施形態によれば、カーボン活量の高いガス組成となっている第２領域Ａ２において、炭素を析出させる反応が進みにくい。その結果、炭素の析出を抑制することができる。

第２領域Ａ２は、遷移金属元素を含有しないのが好ましい。

第３領域Ａ３に含有される遷移金属元素の含有率は、第１領域Ａ１に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない。第３領域Ａ３は、遷移金属元素を含有しないのが好ましい。なお、この場合、不純物として遷移金属元素を含有していてもよい。

遷移金属元素とは、周期表の３族～１１族の遷移金属である。遷移金属元素はたとえば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉなどである。

［遷移金属元素の含有率の測定方法］
遷移金属元素の含有率の測定方法について説明する。

第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び、第３領域Ａ３の遷移金属元素の含有率の測定は、支持基板４の第１主面４５側で行う。

第１領域Ａ１のサンプルは、第１領域Ａ１を流通方向に５等分した部分それぞれから、第１流路４３に沿って、表面に対して垂直な断面を含むように採取する。第２領域Ａ２のサンプルの採取場所は、復路領域Ｒ２を流通方向に５等分した部分それぞれから、第２流路４４に沿って、表面に対して垂直な断面を含むように採取する。第３領域Ａ３のサンプルの採取場所は、第３領域Ａ３を流通方向に５等分した部分それぞれから、第１流路４３に沿って、表面に対して垂直な断面を含むように採取する。したがって、サンプルは、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び、第３領域Ａ３それぞれの領域から５個ずつ採取することになる。表面に対して垂直な断面を観察面とする。

以下の測定方法は、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び、第３領域Ａ３それぞれに共通して適用可能である。したがって、第１領域Ａ１での測定方法を例として以下に記載する。

第１領域Ａ１の断面を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのＩＭ４０００によってイオンミリング加工処理を施す。

日本電子株式会社製の電界放射型分析電子顕微鏡付属の電界放出型電子線マイクロアナライザ（ＦＥ－ＥＰＭＡ）を用いて、元素分析法により遷移元素の含有率を測定する。上記測定を、第１領域Ａ１の同一観察面において支持基板４の板面に垂直な厚み方向において均等に離れた５箇所で行う。観察面５箇所及びサンプル採取場所５箇所で算出された遷移金属元素の面積占有率の算術平均値を、第１領域Ａ１における遷移金属元素の含有率（％）とする。

［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及びＣＯ₂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。

［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）上記実施形態では、セルスタック装置１００は、第１流路４３及び第２流路４４、並びに、電解セル１０によって生成されたガスをマニホールド２に回収する回収室２２を備えるように構成されることとしたが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、セルスタック装置１００は、第２流路４４及び回収室２２を備えないように構成してもよい。この場合、電解セル１０は、電解セル１０の連通部材３を省略して、電解セル１０の先端部１０２に開口する第１流路４３からガスを回収してもよい。

この場合、第１領域Ａ１は、上記実施形態と同様に支持基板４のうち、第１主面４５及び第２主面４６のいずれかに配置されている水素極６のうち、最も基端側に配置された水素極６の基端側の端縁から最も先端側に配置された水素極６の先端側の端縁までの領域である。第２領域Ａ２は、流路４０において最も先端側に配置されている水素極６の先端側の端縁から支持基板４の先端側の端縁までの領域である。第３領域Ａ３は、上記実施形態と同様に最も基端側に配置されている水素極６の基端側の端縁から支持基板４の基端側の端縁までの領域である。

また、この場合、第１領域Ａ１のサンプルは、第１領域Ａ１を流通方向に５等分した部分それぞれから、流路４０に沿って、表面に対して垂直な断面を含むように採取する。第２領域Ａ２のサンプルの採取場所は、第２領域Ａ２を流通方向に３等分した部分のうち、基端部４１側の２つの部分それぞれから、流路４０に沿って、表面に対して垂直な断面を含むように採取する。

（ｂ）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、図１１に示すように、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。なお、図１１において、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、及び、第３領域Ａ３を示す線と重複する支持基板４等の輪郭線は省略している。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。

この場合、第１領域Ａ１は、支持基板４のうち、第１主面４５及び第２主面４６に配置されている水素極６の基端側の端縁から水素極６の先端側の端縁までの領域である。第２領域Ａ２は、水素極６に対して下流側に配置される。つまり、第２領域Ａ２は、往路領域Ｒ１において水素極６の先端側の端縁から支持基板４の先端側の端縁までの部分と、復路領域Ｒ２と、を含む。第３領域Ａ３は、素子部５の水素極６の基端側の端縁から支持基板４の基端側の端縁までの領域である。

（ｃ）セルスタック装置１００はさらに、温度制御部２０を備えてもよい。図１２に示すように、温度制御部２０は、最も先端側に配置された素子部５の温度を制御するように構成されている。温度制御部２０は、電解セル１０の先端部１０２の近傍に配置されている。詳細には、温度制御部２０は、第２方向において最も先端側に配置された素子部５と対向するように配置されている。なお、温度制御部２０は、第２方向において、支持基板４の基端部４１とは対向していない。

温度制御部２０は、例えば、ヒータなどによって構成される。温度制御部２０を作動させることによって、最も先端側に配置された素子部５を加熱し、最も先端側に配置された素子部５の温度を制御する。詳細には、温度制御部２０は、支持基板４の基端部４１における温度よりも高くなるように、最も先端側に配置された素子部５の温度を制御する。

例えば、温度制御部２０は、最も先端側に配置された素子部５の温度が７５０～９００℃となるように、最も先端側に配置された素子部５を加熱する。

（ｄ）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１３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。

（ｅ）上記実施形態では、第１流路４３の先端部４３２と第２流路４４の先端部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の先端部４３２と第２流路４４の先端部４４２とが直接連通していてもよい。

２ ：マニホールド
２１ ：供給室
２２ ：回収室
４ ：支持基板
５ ：素子部
１０ ：電解セル
３０ ：連通流路
４３ ：第１流路
４４ ：第２流路
１００ ：セルスタック装置
Ａ１ ：第１領域
Ａ２ ：第２領域
Ａ３ ：第３領域

Claims (5)

1. 素子部と、
   流路、前記素子部が配置される第１領域、及び、前記第１領域に対して前記流路の下流側に配置される第２領域、を有する支持基板と、
   を備え、
   前記第２領域に含有される遷移金属元素の含有率は、前記第１領域に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない、
   電解セル。
   
2. 前記第２領域は、遷移金属元素を含有しない、
   請求項１に記載の電解セル。
   
3. 前記支持基板は、前記第１領域に対して前記流路の上流側に配置される第３領域を有し、
   前記第３領域に含有される遷移金属元素の含有率は、前記第１領域に含有される遷移金属元素の含有率よりも少ない、
   請求項１又は請求項２に記載の電解セル。
   
4. 前記第３領域は、遷移金属元素を含有しない、
   請求項３に記載の電解セル。
   
5. 前記流路は、前記支持基板の基端部から先端部に向かって延びる第１流路、及び、前記第１流路と同じ方向に延びかつその先端部において前記第１流路と連通する第２流路、を有し、
   前記第１流路は、前記第１領域に配置され、
   前記第２流路は、前記第２領域に配置される、
   請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電解セル。

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