JP2024013791A

JP2024013791A - 電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

Info

Publication number: JP2024013791A
Application number: JP2022116152A
Authority: JP
Inventors: 昌彦東; Masahiko Azuma
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-02-01

Abstract

【課題】耐久性が高い電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供する。【解決手段】電気化学セル装置は、セルスタックと、導電部材とを備える。セルスタックは、第１方向に並ぶ複数の素子部を有する。導電部材は、複数の素子部の間にそれぞれ位置する。セルスタックは、第１方向の中央部に位置する第１領域と、第１方向の端部に位置する第２領域とを有する。第１領域に位置する導電部材は、第１部位と、第１部位よりも抵抗率が小さい第２部位とを有する。第２領域に位置する導電部材は、第２部位よりも抵抗率が大きい。【選択図】図３

Description

本開示は、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数有する燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる電気化学セルの一種である。

特開２０２１－１８０１６４号公報特開２０１５－２２００２２号公報

しかしながら、従来の燃料電池セルスタック装置では、たとえば、発電時の温度にばらつきが生じる場合があり、耐久性に改善の余地があった。

実施形態の一態様は、耐久性が高い電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電気化学セル装置は、セルスタックと、導電部材とを備える。セルスタックは、第１方向に並ぶ複数の素子部を有する。導電部材は、前記複数の素子部の間にそれぞれ位置する。前記セルスタックは、前記第１方向の中央部に位置する第１領域と、前記第１方向の端部に位置する第２領域とを有する。前記第１領域に位置する前記導電部材は、第１部位と、前記第１部位よりも抵抗率が小さい第２部位とを有する。前記第２領域に位置する前記導電部材は、前記第２部位よりも抵抗率が大きい。

また、実施形態の一態様に係る電気化学セル装置は、セルスタックと、導電部材とを備える。セルスタックは、第１方向に並ぶ複数の素子部を有する。導電部材は、前記複数の素子部の間にそれぞれ位置する。前記セルスタックは、前記第１方向の中央部に位置する第１領域と、前記第１方向の端部に位置する第２領域とを有する。前記第１領域に位置する前記導電部材は、第１部材と、前記第１部材よりも抵抗率が小さい第２部材とを有する。前記第２領域に位置する前記導電部材は、前記第２部材よりも抵抗率が大きい。

また、本開示のモジュールは、上記に記載の電気化学セル装置と、前記電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。

また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、前記モジュールの運転を行うための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。

実施形態の一態様によれば、耐久性が高い電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置が提供可能となる。

図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。図３は、電気化学セル装置における温度分布の一例を示す断面図である。図４は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を拡大した断面図である。図５は、第１の実施形態に係る導電部材の一例を示す横断面図である。図６は、図４に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。図７Ａは、第１の実施形態に係る導電部材の一例を示す断面図である。図７Ｂは、第１の実施形態に係る導電部材の別の一例を示す断面図である。図７Ｃは、第１の実施形態に係る導電部材の別の一例を示す断面図である。図７Ｄは、第１の実施形態に係る導電部材の別の一例を示す断面図である。図８は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。図９は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。図１０は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の別の一例を示す断面図である。図１１は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。図１２は、平板型の電気化学セル装置における温度分布の一例を示す断面図である。図１３は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。図１４は、図１３に示す第１領域Ｒ１の一例を示す断面図である。図１５は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の別の一例を示す断面図である。図１６Ａは、第３の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１６Ｂは、第３の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。図１６Ｃは、第３の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。

また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。

［第１の実施形態］
＜電気化学セル＞
まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。

図１Ａは、実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図であり、図１Ｃは、実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。

図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが、たとえば１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば１ｍｍ～５ｍｍである。

図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２、およびかかる平坦面ｎ１、ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。

素子部３は、支持基板２の平坦面ｎ１上に設けられている。かかる素子部３は、燃料極層５と、固体電解質層６と、空気極層８とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の平坦面ｎ２上にインターコネクタ４が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極層８との間に中間層７を備えていてもよい。

また、図１Ｂに示すように、空気極層８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが平坦面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａを流れる燃料ガスを燃料極層５まで透過させる。支持基板２は、導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。

支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。

燃料極層５の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極層５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。

固体電解質層６は、電解質であり、燃料極層５と空気極層８との間のイオン受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。

固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物、酸化カルシウム、酸化マグネシウムが固溶したＺｒＯ_２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６は、たとえば、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＧｄまたはＹｂが固溶したＣｅＯ_２を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＺｒＯ_３を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＣｅＯ_３を含んでもよい。

空気極層８は、ガス透過性を有している。空気極層８の開気孔率は、たとえば２０％～５０％、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。

空気極層８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極層８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物など導電性セラミックスでもよい。

空気極層８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏ_ｙＦｅ_１－ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏＯ_３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。

また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。空気極層８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）などの元素が固体電解質層６に拡散すると、かかる固体電解質層６にたとえばＳｒＺｒＯ_３などの抵抗層が形成される。中間層７は、Ｓｒを拡散させにくくすることで、ＳｒＺｒＯ_３その他の電気絶縁性を有する酸化物が形成されにくくする。

中間層７の材料は、一般的に空気極層８と固体電解質層６との間の元素の拡散抑制層に用いられるものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含んでもよい。かかる希土類元素としては、たとえば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。

また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。

インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。また、インターコネクタ４の材料として金属または合金を用いてもよい。

＜電気化学セル装置＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。

図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２，１２ａとを備える。

固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、たとえば金属製であり導電性を有している。

図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。

ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。

図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図７参照）で生成される。

水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。

図２Ａに示す例では、２列のセルスタック１１、支持部材１４、２つの支持体１５、およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１はそれぞれ、複数のセル１を有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。図２Ａでは、２列のセルスタック１１を有するセルスタック装置１０を示したが、電気化学セル装置は１列のセルスタック１１を有してもよいし、３列以上のセルスタック１１を有してもよい。

挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。

図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部は、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。

固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。

結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ_２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＭｇＯ系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ_２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、導電部材１８が介在している。導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と他方のセル１の空気極層８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極層８とを接続している。インターコネクタ４が金属または合金である場合、インターコネクタ４と導電部材１８とが一体化していてもよいし、導電部材１８がインターコネクタ４を兼ねてもよい。なお、導電部材１８の詳細については後述する。

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。

また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。

正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。

接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。

＜発電時の温度分布＞
つづいて、電気化学セル装置における発電時の温度分布について、図３を参照しながら説明する。図３は、電気化学セル装置における温度分布の一例を示す断面図である。図３に示すセルスタック装置１０Ｘは、図２Ｂに示すセルスタック装置１０が有するセルスタック１１の一部を拡大視したものに相当する。なお、図３では、たとえばセル１、導電部材１８などを単純化して図示している。また、後述する他の図面でも、構成要素を単純化して図示する場合がある。説明を容易にするために、図３および後述する図４では、セルスタック装置が有するセル１の数を８として図示している。

図３に示すように、セル１の厚み方向Ｔに隣り合うセル１の間には、長さ方向に延びる導電部材１８が位置し、隣り合うセル１同士を電気的に接続している。セルスタック装置１０Ｘは、発電時には温度ｔ１～ｔ６が、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３＞ｔ４＞ｔ５＞ｔ６の順にセル１の厚み方向Ｔ（第１方向）の中央に位置し、かつ固定材１３から離れた長さ方向Ｌの上端側が高温となる。また、かかる部分から離れた厚み方向Ｔの端部側、長さ方向Ｌの下端側に向かって発電時の温度が低下する。このため、セル１の厚み方向Ｔ（第１方向）の中央に位置する第１領域Ｒ１では、たとえば、セル１の厚み方向Ｔ（第１方向）の両端部に位置する第２領域Ｒ２よりも高温となり、耐久性が低下しやすくなる。

そこで、本実施形態では、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間で、抵抗率が互いに異なる導電部材１８を適用する。図４は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を拡大した断面図である。

図４に示すように、第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８は、第１部位１８１と、第１部位１８１よりも抵抗率が小さい第２部位１８２とを有する。これにより、高温になりやすい部分である第１部位１８１に位置する導電部材１８の抵抗率を他の部分よりも大きくすることで通電量を低減させ、他の部分である第２部位１８２に位置する導電部材１８は、抵抗率を小さくすることで通電量を上昇させる。このため、発電時における温度のばらつきが低減し、電気化学セル装置の耐久性が高くなる。

また、第２領域Ｒ２に位置する導電部材１８３は、第２部位１８２よりも抵抗率が大きい。これにより、高温になりにくい第２領域Ｒ２において、導電部材１８３の抵抗発熱により積極的に温度上昇を促進させる。このため、発電時における温度のばらつきが低減し、電池性能が向上する。

導電部材１８３は、全体として第２部位１８２より大きい抵抗率を有していればよい。導電部材１８３は、第１部位１８１より大きい抵抗率を有していてもよいし、第１部位と同じ、または小さい抵抗率を有していてもよい。導電部材１８３は、高抵抗部と低抵抗部を有していてもよい。導電部材１８３が高抵抗部と低抵抗部とを有する場合、高抵抗部と低抵抗部の抵抗率の差は、第１部位１８１と第２部位１８２の抵抗率の差よりも小さい。導電部材１８３の低抵抗部は、第２部位１８２と同じ抵抗率、または第２部位１８２より小さい抵抗率を有していてもよい。導電部材１８３は、低抵抗部を有していなくてもよい。

ここで、導電部材１８の具体的な構成の一例につき、図５および図６を用いて説明する。図５は、第１の実施形態に係る導電部材の一例を示す横断面図である。

図５に示すように、導電部材１８は、隣接するセル１のうち、一方のセル１であるセル１Ａに接続される接続部１８ａと、他方のセル１であるセル１Ｂに接続される接続部１８ｂとを有する。また、導電部材１８は、幅方向Ｗの両端に連結部１８ｃを有しており、接続部１８ａ，１８ｂを接続する。これにより、導電部材１８は、厚み方向Ｔに隣り合うセル１同士を電気的に接続することができる。

また、接続部１８ａ，１８ｂは、セル１Ａ，１Ｂと接触する接触部１８ａ１，１８ｂ１と、セル１Ａ，１Ｂとは非接触の非接触部１８ａ２，１８ｂ２とを有している。

図６は、図５に示すＡ－Ａ線に沿った断面図である。導電部材１８は、セル１の長さ方向Ｌに延在している。導電部材１８は、断面視で櫛歯状を有しており、接続部１８ａ，１８ｂは、連結部１８ｃからセル１Ａ，１Ｂに向かって互い違いに伸びている。

次に、第１部位１８１および第２部位１８２を有する導電部材１８の具体例につき、図７Ａ～図７Ｄを用いて説明する。図７Ａは、第１の実施形態に係る導電部材の一例を示す断面図である。

図７Ａに示すように、導電部材１８は、基材１８０と、基材１８０を覆う被膜３０とを有する。基材１８０は、導電性および耐熱性を有する。基材１８０は、クロムを含有する。基材１８０は、たとえば、ステンレス鋼である。基材１８０は、たとえば、金属酸化物を含有してもよい。

被膜３０は、絶縁性または低い絶縁性を有している。被膜３０は、たとえば、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、Ａｌおよび／またはＳｉを含む複合酸化物などを含有する。図７Ａに示す導電部材１８は、被膜３０の厚みを異ならせることにより、抵抗率が異なる第１部位１８１および第２部位１８２を有している。すなわち、第２部位１８２と比較して被膜３０の厚みが大きい第１部位１８１の抵抗率は、第２部位１８２の抵抗率よりも大きくなる。

図７Ｂ～図７Ｄは、第１の実施形態に係る導電部材の別の一例を示す断面図である。

図７Ｂに示すように、導電部材１８は、被膜３０に代えて、基材１８０を覆う被膜３１を有する点で図７Ａに示す導電部材１８と相違する。

被膜３１は、導電性を有している。被膜３１は、たとえば、導電性を有する金属材料および／または金属酸化物を含有する。図７Ｂに示す導電部材１８は、被膜３１の厚みを異ならせることにより、抵抗率が異なる第１部位１８１および第２部位１８２を有している。すなわち、第１部位１８１と比較して被膜３１の厚みが大きい第２部位１８２の抵抗率は、第１部位１８１の抵抗率よりも小さくなる。被膜３１に含まれる導電性を有する金属酸化物は、たとえばスピネル構造を有する複合酸化物、たとえば、ＺｎＭｎＣｏＯ_４などのＺｎ（Ｃｏ_ｘＭｎ_１－ｘ）_２Ｏ_４（０＜ｘ＜１）、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４、ＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＣｏＭｎ_２Ｏ_４、などであってもよい。導電性を有する金属酸化物は、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物であってもよい。

なお、導電部材１８は、被膜３０および被膜３０よりも高い導電性を有する被膜３１の両方を有していてもよい。導電部材１８は、たとえば、基材１８０上を覆う被膜３０と、さらに被膜３０上を覆う被膜３１を有していてもよい。このとき、第１部位１８１と比較して、第２部位１８２の被膜３０の厚みが小さい、および／または第２部位１８２の被膜３１の厚みが大きくてもよい。

また、図７Ｃに示す導電部材１８は、被膜３０に代えて、基材１８０を覆う被膜３２，３３を有する点で図７Ａに示す導電部材１８と相違する。

被膜３２，３３は、導電性または絶縁性を有している。被膜３２は、被膜３３よりも絶縁性が高い。あるいは、被膜３３は、被膜３２よりも導電性が高い。

図７Ｃに示す導電部材１８は、被膜３２，３３の材料を異ならせることにより、抵抗率が異なる第１部位１８１および第２部位１８２を有している。すなわち、被膜３２と比較して絶縁性が低いまたは導電性が高い被膜３３を有する第２部位１８２の抵抗率は、第１部位１８１の抵抗率よりも小さくなる。被膜３２，３３は、気孔率が異なる同じ材料であってもよい。被膜３２の気孔率が被膜３３の気孔率より大きいと、被膜３３と比較して被膜３２の絶縁性が高くなる、または導電性が低くなる。被膜３２，３３の材料は、被膜３０，３１に含まれるような材料であってもよい。

図７Ｄに示す導電部材１８は、基材１８０の材料が互いに異なる部位１８０ａ，１８０ｂを有している。部位１８０ｂは、部位１８０ａと比較して導電性が高い。これにより、第２部位１８２の抵抗率は、第１部位１８１の抵抗率よりも小さくなる。

このように、本実施形態に係る導電部材１８は、いかなる方法により作製されたものであってもよい。なお、図７Ａ、図７Ｂに示す被膜３０，３１は、たとえば、ディップ法において塗布回数および／またはディップ液の濃度を変更させて形成してもよく、電着またはめっき法において成膜電極を変更させて形成してもよい。また、図７Ｃに示す被膜３２，３３は、たとえば、ディップ法においてディップ液の種類を変更させて形成してもよい。また、図７Ｄに示す導電部材１８は、たとえば、溶接または接合により形成してもよい。

＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本実施形態に係るモジュールについて、図８を用いて説明する。図８は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図８では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

図８に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１内に、セルスタック装置１０を収納して構成される。また、セルスタック装置１０の上方には、セル１に供給する燃料ガスを生成するための改質器１０２が配置されている。

かかる改質器１０２では、原燃料供給管１０３を通じて供給される天然ガスや灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器１０２は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましい。改質器１０２は、水を気化させるための気化部１０２ａと、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部１０２ｂとを備えることで水蒸気改質を行うことができる。

そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０を通じて固定部材１２に供給され、固定部材１２よりセル１の内部に設けられたガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。

また、上述の構成のモジュール１００においては、通常発電時においては、上記燃焼、セル１の発電等に伴い、モジュール１００内の温度は５００℃～１０００℃程度となる。

このようなモジュール１００においては、上述したように、耐久性が高いセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。

＜モジュール収容装置＞
図９は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。モジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図８で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補器は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補器は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図８では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。

また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。

このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、耐久性が高いモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。

図１０は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の別の一例を示す断面図である。図１０に示すセルスタック装置１０は、導電部材１８として抵抗率の異なる第１部材１８Ａと第２部材１８Ｂとを有する点で上記した実施形態に係る導電部材１８と相違する。第２部材１８Ｂの抵抗率は、第１部材１８Ａの抵抗率よりも小さくなるように構成されており、第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂは、隣り合うセル１間にそれぞれ配置される。このように、導電部材１８として抵抗率の異なる第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂを使用した場合であっても、第１領域Ｒ１（図４参照）での温度のばらつきが低減される。このため、本変形例によれば、セルスタック装置１０の耐久性が高くなる。

第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂは、たとえば、図７Ａ～図７Ｄに示す第１部位１８１および第２部位１８２に準じてそれぞれ作製することができる。また、第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂは、互いに接触させてもよく、離間させてもよい。第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂを離間させると、第１部材１８Ａを流れる電流をより確実に低下させることができることから、セルスタック装置１０の耐久性が高くなる。

［第２の実施形態］
図１１は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。図１１に示すセルスタック装置１０Ａは、素子部３Ａと、素子部３Ａを挟む導電部材１８とを有する平板型の電気化学セルを積層させた電気化学セル装置である。素子部３Ａは、固体電解質層（たとえば、固体電解質層６）と、固体電解質層を挟む第１電極層（たとえば、燃料極層５）および第２電極層（たとえば、空気極層８）を有する。導電部材１８は、反応ガスが流れる不図示の流路を有しており、不図示のシール部材等で封止されている。セルスタック装置１０Ａは、両端部に端部集電部材９１，９２がそれぞれ位置している。

図１２は、平板型の電気化学セルにおける温度分布の一例を示す断面図である。図１２に示すように、セルスタック装置１０Ｙは、発電時には温度ｔ１１～ｔ１５が、ｔ１１＞ｔ１２＞ｔ１３＞ｔ１４＞ｔ１５の順にセルスタック装置１０Ｙの中心部分が高温となる。また、かかる中心部分から離れたＹ軸方向およびＺ軸方向の両端側に向かって発電時の温度が低下する。このため、素子部３Ａの厚み方向（Ｚ軸方向）の中央に位置する第１領域Ｒ１では、たとえば、素子部３Ａの厚み方向（Ｚ軸方向）の両端部に位置する第２領域Ｒ２よりも高温となり、耐久性が低下しやすくなる。図１２では、ＹＺ平面に沿った断面図を示したが、ＺＸ平面に沿った断面もおおむね図１２と同じことが言える。

そこで、本実施形態では、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間で、抵抗率が互いに異なる導電部材１８を適用する。図１３は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。

図１３に示すように、第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８は、第１部位１８１と、第１部位１８１よりも抵抗率が小さい第２部位１８２とを有する。これにより、高温になりやすい部分である第１部位１８１に位置する導電部材１８の抵抗率を他の部分よりも大きくすることで通電量を低減させ、他の部分である第２部位１８２に位置する導電部材１８は、抵抗率を小さくすることで通電量を上昇させる。このため、発電時における温度のばらつきが低減し、電気化学セル装置の耐久性が高くなる。

図１４は、図１３に示す第１領域Ｒ１の一例を示す断面図である。セルスタック装置１０Ａの第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８は、互いに隣り合う一方の素子部３Ａに接続された導電部材１８－１と他方の素子部３Ａに接続された導電部材１８－２とが、インターコネクタである導電部材１８－３を介して電気的に接続されている。以下、素子部３Ａ間に位置する導電部材１８－１～導電部材１８－３をまとめて導電部材１８と称する場合がある。

上述したように、発電時に高温となったセルスタック装置１０Ａの中心付近では、温度が低下しにくいことから、セルスタック装置１０Ａ内の温度にばらつきが生じる場合がある。具体的には、セルスタック装置１０Ａの中央部は、セルスタック装置１０Ａの中心から離れた外縁側よりも温度が上昇し、たとえば、発電に適した温度よりも高温となり、耐久性が低下しやすくなる。

そこで、図１４に示すように、セルスタック装置１０Ａが有する第１領域Ｒ１に位置する素子部３Ａ間に、第１部位１８１と第２部位１８２とを有する導電部材１８を適用することで温度のばらつきを低減させてもよい。具体的には、第１部位１８１が素子部３Ａ間のＸ軸方向および／またはＹ軸方向の中央部分に接続され、第２部位１８２が素子部３Ａ間のＸ軸方向および／またはＹ軸方向の中央部分から離れた部位に接続されるように導電部材１８を位置させる。第１部位１８１の抵抗率は、第２部位１８２の抵抗率よりも大きい。

これにより、第１部位１８１では、第２部位１８２よりも通電量が低減し、第１部位１８１の温度上昇が低減される。このため、本実施形態によれば、セルスタック装置１０Ａの耐久性が高くなる。

なお、上記では、導電部材１８－１～導電部材１８－３をまとめて導電部材１８として説明したが、導電部材１８－１および導電部材１８－２とは異なる導電部材１８－３を第３部材として適用し、導電部材１８－１および導電部材１８－２を直列に接続してもよい。

図１５は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の別の一例を示す断面図である。図１５に示すセルスタック装置１０Ｂは、第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８として抵抗率の異なる第１部材１８Ａと第２部材１８Ｂとを有する点で図１４に示す導電部材１８と相違する。第２部材１８Ｂの抵抗率は、第１部材１８Ａの抵抗率よりも小さく、第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂは、隣り合う素子部３Ａ間にそれぞれ配置される。このように、導電部材１８として抵抗率の異なる第１部材１８Ａおよび第２部材１８Ｂを使用した場合であっても、セルスタック装置１０Ｂの中心部分での温度上昇が低減される。このため、本変形例によれば、セルスタック装置１０Ｂの耐久性が高くなる。

また、第２領域Ｒ２（図１３参照）に位置する導電部材１８３は、第２部位１８２または第２部材１８Ｂよりも抵抗率が大きい。これにより、高温になりにくい第２領域Ｒ２において、導電部材１８３の抵抗発熱により積極的に温度上昇を促進させる。このため、発電時における温度のばらつきが低減し、電池性能が向上する。なお、第２領域Ｒ２に位置する導電部材１８３も、第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８のように、互いに隣り合う一方の素子部３Ａに接続された導電部材１８－１と他方の素子部３Ａに接続された導電部材１８－２とが、インターコネクタである導電部材１８－３を介して電気的に接続されていてもよい。

［第３の実施形態］
図１６Ａは、第３の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１６Ｂ、図１６Ｃは、第３の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。本実施形態においては、図２Ａまたは図１１に示すセルスタック装置１０に、図１６Ａ～図１６Ｃに示すセル１を適用したものをセルスタック装置１０Ｃとする。

図１６Ａ～図１６Ｃに示すように、セル１は、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８が積層された素子部３Ｃと、支持基板２とを有している。支持基板２は、素子部３Ｃの燃料極層５と接する部位に貫通孔または細孔を有するとともに、ガス流路２ａの外側に位置する部材１２０を有する。支持基板２は、ガス流路２ａと素子部３Ｃとの間でガスを流通させることができる。支持基板２は、例えば、１または２以上の金属部材を含んでもよい。金属部材の材料は、クロムを含有する合金であってもよい。金属部材は、導電性の被覆層を有していてもよい。支持基板２は、隣接するセル１同士を電気的に接続する導電部材である。素子部３Ｃは、支持基板２上に直接形成されていてもよいし、接合材により支持基板２に接合されていてもよい。

図１６Ａに示す例では、燃料極層５の側面は固体電解質層６により被覆され、燃料ガスが流れるガス流路２ａを気密に封止している。図１６Ｂに示すように、燃料極層５の側面は緻密な封止材９で被覆され、封止されていてもよい。燃料極層５の側面を被覆する封止材９は、電気絶縁性を有していてもよい。封止材９の材料は、例えばガラスまたはセラミックスであってもよい。

また、支持基板２のガス流路２ａは、図１６Ｃに示すように凹凸を有する部材１２０により形成されていてもよい。

本実施形態において、部材１２０は、隣接する別のセル１の空気極層８と、セル間接続部材などの他の導電部材および接合材を介して接合されている。なお、部材１２０は、他の導電部材等を介さずに直接別のセル１の空気極層８と接触していてもよい。

本実施形態では、第１部位１８１と第２部位１８２とを有する支持基板２（導電部材１８）を備えるセル１を、セルスタック装置１０Ｃの第１領域Ｒ１に配置する。具体的には、支持基板２（導電部材１８）の第１部位１８１を比較的高温となるセル１の部分１ａに位置させ、第２部位１８２を比較的低温となるセル１の部分１ｂに位置させる。第１部位１８１の抵抗率が、第２部位１８２の抵抗率よりも大きいことにより、第１部位１８１では、第２部位１８２よりも通電量が低減し、部分１ａでの温度上昇が低減される。このため、本実施形態によれば、支持基板２（導電部材１８）およびセルスタック装置１０の耐久性が高くなる。なお、図１６Ａ～図１６Ｃでは、高温となるセル１の部分１ａとして、第２の実施形態のように素子部３Ｂの中心に近い部分を示したが、第１の実施形態のように燃料ガスの排出口側に近い部分が、高温となるセル１の部分１ａとなる場合もある。

なお、第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、図３、４、１２、１３に示した例に限定されない。第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２は、セルスタックの構造、特性などに応じて適宜設定することができる。たとえば、セルスタックの中央である第１領域Ｒ１に隣接して位置する２つのセル１に挟まれた１つの導電部材１８が、第１部位と第２部位を有し、セルスタックの一方の端部である第２領域Ｒ２に位置する１つの導電部材１８が、第２部位１８２より大きい抵抗率を有していてもよい。

また、第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８の第１部位１８１と第２部位１８２との配置および比率は、第１領域Ｒ１に位置するセル１の構造、に応じて適宜設定することができる。

＜その他の変形例＞
上述の各実施形態では、「電池化学セル」、「電池化学セル装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。電解セルは、水素極および酸素極を有し、電力の供給により水蒸気を水素と酸素に分解する。また、上記実施形態では電気化学セルの電解質材料の一例として酸化物イオン伝導体または水素イオン伝導体を示したが、水酸化物イオン伝導体であってもよい。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

以上のように、実施形態に係る電気化学セル装置（たとえば、セルスタック装置１０）は、セルスタック１１と、導電部材１８とを備える。セルスタック１１は、第１方向に並ぶ複数の素子部３を有する。導電部材１８は、複数の素子部３の間にそれぞれ位置する。セルスタック１１は、第１方向の中央部に位置する第１領域Ｒ１と、第１方向の端部に位置する第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８は、第１部位１８１と、第１部位１８１よりも抵抗率が小さい第２部位１８２とを有する。第２領域Ｒ２に位置する導電部材１８３は、第２部位１８２よりも抵抗率が大きい。これにより、耐久性が高い導電部材１８が提供可能となる。

また、本開示の電気化学セル装置（たとえば、セルスタック装置１０）は、セルスタック１１と、導電部材１８とを備える。セルスタック１１は、第１方向に並ぶ複数の素子部３を有する。導電部材１８は、複数の素子部３の間にそれぞれ位置する。セルスタック１１は、第１方向の中央部に位置する第１領域Ｒ１と、第１方向の端部に位置する第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１に位置する導電部材１８は、第１部材１８Ａと、第１部材１８Ａよりも抵抗率が小さい第２部材１８Ｂとを有する。第２領域Ｒ２に位置する導電部材１８３は、第２部材１８Ｂよりも抵抗率が大きい。これにより、耐久性が高い電気化学セル装置が提供可能となる。

また、本開示のモジュール１００は、上記に記載の電気化学セル装置と、電気化学セル装置を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。

また、本開示のモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケース１１１とを備える。これにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１セル
３素子部
１０セルスタック装置
１１セルスタック
１２固定部材
１３固定材
１４支持部材
１５支持体
１６ガスタンク
１７端部集電部材
１８導電部材
１００モジュール
１１０モジュール収容装置
１８１第１部位
１８２第２部位
１８３導電部材

Claims

第１方向に並ぶ複数の素子部を有するセルスタックと、
前記複数の素子部の間にそれぞれ位置する導電部材と
を備え、
前記セルスタックは、前記第１方向の中央部に位置する第１領域と、前記第１方向の端部に位置する第２領域とを有し、
前記第１領域に位置する前記導電部材は、第１部位と、前記第１部位よりも抵抗率が小さい第２部位とを有し、
前記第２領域に位置する前記導電部材は、前記第２部位よりも抵抗率が大きい
電気化学セル装置。
前記第１領域は、前記第２領域よりも最高温度が高い
請求項１に記載の電気化学セル装置。
前記第１部位は、前記第１方向に交差する第２方向の一端側に位置し、
前記第２部位は、前記第２方向の他端側に位置する
請求項１に記載の電気化学セル装置。
前記第１部位は、前記第１方向に交差する第２方向の中央部に位置し、
前記第２部位は、前記第２方向の端部に位置する
請求項１に記載の電気化学セル装置。
第１方向に並ぶ複数の素子部を備えるセルスタックと、
前記複数の素子部の間にそれぞれ位置する導電部材と
を備え、
前記セルスタックは、前記第１方向の中央部に位置する第１領域と、前記第１方向の端部に位置する第２領域とを有し、
前記第１領域に位置する前記導電部材は、第１部材と、前記第１部材よりも抵抗率が小さい第２部材とを有し、
前記第２領域に位置する前記導電部材は、前記第２部材よりも抵抗率が大きい
電気化学セル装置。
請求項１～５のいずれか１つに記載の電気化学セル装置と、
前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
を備えるモジュール。
請求項６に記載のモジュールと、
前記モジュールの運転を行うための補機と、
前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
を備えるモジュール収容装置。