JP2024042644A - 電気化学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率（発電効率、電解効率など）の低下を効果的に防止する。【解決手段】実施形態の電気化学装置において、セルスタックは、積層方向に直交する方向において絶縁シール材に並ぶように設置されているスペーサを有する。スペーサは、一対のエンドプレートの間において複数が積層方向に配置され、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータの間等に介在している。スペーサは、電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する割合が、絶縁シール材よりも小さい材料で形成されている。電気化学装置の運転が実行される前は、スペーサの厚みが、絶縁シール材の厚みよりも薄い。そして、電気化学装置の運転が実行されたときに、スペーサの厚みが絶縁シール材の厚み以下の状態を保持するように構成されている。【選択図】図１Ａ

Description

本発明の実施形態は、電気化学装置に関する。

電気化学装置は、水素エネルギーに関する装置であって、水素極（燃料極）と酸素極（空気極）とが電解質膜を挟んで構成されている電気化学セルを有している。

電気化学セルは、使用の温度域や構成材料および燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに分類される。このうち、固体酸化物型電気化学セルは、効率などの観点から注目されている。

固体酸化物型電気化学セルは、固体酸化物を電解質膜に用いており、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、または、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ）として利用可能である。

固体酸化物型電気化学セルがＳＯＦＣとして使用される場合には、高温条件下において、たとえば、水素極に供給された水素と、酸素極に供給された酸素（空気中の酸素を含む）とが、電解質膜を介して反応することで、電気エネルギーが得られる。これに対して、固体酸化物型電気化学セルがＳＯＥＣとして使用される場合には、たとえば、高温条件下で水（水蒸気）が電気分解されることによって、水素極において水素が発生し、酸素極において酸素が発生する。

一般に、電気化学装置は、出力の向上のために、複数の電気化学セルが積層方向に並ぶセルスタックを備え、セルスタックでは、複数の電気化学セルの間が電気的に直列に接続するように構成されている。

特許第５３６８３３３号 特許第６５２７７６１号 特許第６７３４７１０号

［Ａ］電気化学装置１
図７Ａは、関連技術に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。

図７Ａにおいて、縦方向は、鉛直方向ｚであり、横方向は、第１水平方向ｘであり、紙面に垂直な方向は、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘに直交する第２水平方向ｙである。図７Ａでは、電気化学装置１のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った側面を図示している。図７Ａでは、断面を示していないが、各部を区別するためにハッチングを付している。

図７Ａに示すように、電気化学装置１は、セルスタック２とエンドプレート６０と連結部材７０とを有する。

［Ａ－１］セルスタック２
電気化学装置１において、セルスタック２は、図７Ａに示すように、セパレータ２０と絶縁シール材４０とを含む積層体である。セルスタック２は、セパレータ２０を絶縁シール材４０が挟むように、セパレータ２０と絶縁シール材４０とが積層方向（ここでは、鉛直方向ｚ）に交互に積層されている。ここでは、積層方向に積層された複数のセパレータ２０のそれぞれは、同じ厚みであり、同様に、積層方向に積層された複数の絶縁シール材４０のそれぞれは、同じ厚みである。

図７Ｂおよび図７Ｃは、関連技術に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。

図７Ｂでは、セルスタック２のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った断面を図示している。これに対して、図７Ｃでは、セルスタック２のうち、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙで規定される水平面（ｘｙ面）に沿った断面のうち、図７Ａ中のＺ１－Ｚ１部分（つまり、セパレータ２０（第３セパレータ構成部材２３）の上面部分）を図示している。

［Ａ－１－１］電気化学セル１０
セルスタック２において、セパレータ２０の内部には、図７Ｂに示すように、電気化学セル１０が収容されている。

電気化学セル１０は、四角形状の平板型であって、支持体１１と水素極１２と電解質膜１３と酸素極１４とを有する。電気化学セル１０は、支持体１１の上面において電解質膜１３が水素極１２と酸素極１４との間に介在するように構成されている。電気化学セル１０は、水素極支持型（燃料極支持型）であって、支持体１１の上面に水素極１２と電解質膜１３と酸素極１４とを順次積層することによって形成されている。

電気化学セル１０において、支持体１１は、多孔質の電気伝導体で構成されている。水素極１２は、多孔質の電気伝導体で構成されており、たとえば、Ｎｉ－ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などで形成されている。電解質膜１３は、水素極１２および酸素極１４よりも緻密であって、電気を伝導せずにイオンを伝導するイオン伝導体で構成されており、たとえば、動作温度において酸素イオン（Ｏ^２－）が透過する固体酸化物である安定化ジルコニアなどで形成されている。酸素極１４は、多孔質の電気伝導体で構成されており、たとえば、ペロブスカイト型酸化物などで形成されている。

［Ａ－１－２］セパレータ２０
セルスタック２において、セパレータ２０は、図７Ｂに示すように、第１セパレータ構成部材２１と第２セパレータ構成部材２２と第３セパレータ構成部材２３とを含む。

セパレータ２０は、第１セパレータ構成部材２１の上方に第２セパレータ構成部材２２が積層され、第２セパレータ構成部材２２の上方に第３セパレータ構成部材２３が積層されることで構成されている。第１セパレータ構成部材２１、第２セパレータ構成部材２２、および、第３セパレータ構成部材２３は、例えば、金属材料で形成されている。セパレータ２０は、図７Ｃに示すように、水平面の形状が十字形状である。

図７Ｂに示すように、セパレータ２０のうち、第１セパレータ構成部材２１は、平板であって、上面において中央部分に電気化学セル１０が設置されている。第２セパレータ構成部材２２は、の平板状であって、積層方向に貫通した内部空間ＳＰ２２を中央部分に含み、電気化学セル１０において支持体１１と水素極１２と電解質膜１３とが積層した部分を内部空間ＳＰ２２が収容している。第３セパレータ構成部材２３は、平板（隔て板）であって、積層方向に貫通した内部空間ＳＰ２３を中央部分に含み、内部空間ＳＰ２３が電気化学セル１０の酸素極１４を収容している。

図７Ｂに示すように、第１セパレータ構成部材２１と第２セパレータ構成部材２２との間は、シール材層２１０が介在しており、シール材層２１０によって密封されている。第２セパレータ構成部材２２と第３セパレータ構成部材２３との間は、シール材層２２０が介在しており、シール材層２２０によって密封されている。シール材層２２０は、更に、第３セパレータ構成部材２３と電解質膜１３との間にも介在しており、両者の間を密封している。セパレータ２０においては、水素極１２が存在する内部空間ＳＰ２２と、酸素極１４が存在する内部空間ＳＰ２３との間が、第３セパレータ構成部材２３によって物理的に隔離されている。

［Ａ－１－３］絶縁シール材４０
セルスタック２において、絶縁シール材４０は、図７Ｂに示すように、積層方向に貫通した内部空間ＳＰ４０を中央部分に含む。絶縁シール材４０の内部空間ＳＰ４０は、第３セパレータ構成部材２３の内部空間ＳＰ２３と連通しており、酸素極ガスの流路として機能する。また、図示を省略しているが、絶縁シール材４０の内部空間ＳＰ４０および第３セパレータ構成部材２３の内部空間ＳＰ２３には、例えば、集電材（図示省略）が設置される。複数のセパレータ２０のそれぞれに収容された複数の電気化学セル１０の間は、例えば、集電材（図示省略）および第１セパレータ構成部材２１を介して、電気的に直列に接続される。図示を省略しているが、絶縁シール材４０は、セパレータ２０の場合と同様に、水平面の形状が十字形状である（図７Ｃ参照）。

絶縁シール材４０は、絶縁材料で形成されており、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間、および、エンドプレート６０と積層方向においてエンドプレート６０に隣接して並ぶセパレータ２０との間を、電気的に絶縁する共に、密封するために設けられている（図７Ａ参照）。

［Ａ－１－４］ガス流路Ｆ２
セルスタック２には、図７Ｃに示すように、ガス流路Ｆ２が形成されている。ガス流路Ｆ２は、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙにおいて電気化学セル１０を挟むように、複数が形成されている。

図示を省略しているが、ガス流路Ｆ２は、セルスタック２を積層方向に貫通するように形成されており、電気化学セル１０の水素極１２を流れる水素極ガスの流路または電気化学セル１０の酸素極１４を流れる酸素極ガスの流路として機能する。水素極ガスは、水素極１２での反応に用いられるガスおよび水素極１２での反応で生じたガスであり、酸素極ガスは、酸素極１４での反応に用いられるガスおよび酸素極１４での反応で生じたガスである。

水素極ガスの流路として機能するガス流路Ｆ２は、例えば、セパレータ２０に形成された連通路（図示省略）を介して、セパレータ２０の内部空間ＳＰ２３に連通している。同様に、酸素極ガスの流路として機能するガス流路Ｆ２は、例えば、セパレータ２０に形成された連通路（図示省略）を介して、セパレータ２０の内部空間ＳＰ２３に連通している。

［Ａ－２］エンドプレート６０
電気化学装置１において、エンドプレート６０は、図７Ａに示すように、一対であって、一対のエンドプレート６０がセルスタック２を挟むように設置されている。エンドプレート６０は、例えば、平面形状が四角形である平板である。

［Ａ－３］連結部材７０
電気化学装置１において、連結部材７０は、図７Ａおよび図７Ｃに示すように、複数であって、一対のエンドプレート６０の間を連結するために設置されている。

連結部材７０は、例えば、棒状の締結部材である雄ネジ部材（ボルトなど）を含み、その締結部材を用いて一対のエンドプレート６０の間を締結している。一対のエンドプレート６０のコーナー部分には、孔（図示省略）が形成されており、連結部材７０である雄ネジ部材は、その一対のエンドプレート６０に形成された孔を貫通するように設置されている。そして、連結部材７０である雄ネジ部材は、ナットなどの雌ネジ部材（図示省略）が取り付けられることで、一対のエンドプレート６０の間が締結される。

なお、連結部材７０は、締結部材でなくてもよく、その場合には、一対のエンドプレート６０の間は、例えば、プレスされることで締結される。また、連結部材７０は、一対のエンドプレート６０を貫通する他に、セルスタック２を貫通するように構成されていてもよい。

［Ｂ］課題
電気化学装置１においてセルスタック２を構成する絶縁シール材４０は、積層方向に隣接して並ぶセパレータ２０の間等の絶縁状態を十分に保持することが要求される。これと共に、絶縁シール材４０は、酸素極ガスの流路として機能する空間（内部空間ＳＰ４０、内部空間ＳＰ２３）を十分に確保するために必要な厚みを有することが要求される。

これらの要求を満たすために、絶縁シール材４０として、マイカなどのコンプレッシブシール材が用いられている。しかし、絶縁シール材４０としてコンプレッシブシール材を用いる場合に、十分なシール機能を得るためには、コンプレッシブシール材に大きな荷重を加える必要がある。その結果、コストの上昇が生ずる場合がある。

近年、絶縁シール材４０として、ガラスシートを用いることが提案されている。ガラスシートは、ガラス成分と有機バインダー成分とを含むシートである。絶縁シール材４０としてガラスシートを用いる場合において、十分なシール機能を得るために必要な荷重は、絶縁シール材４０としてコンプレッシブシール材を用いる場合よりも小さい（１／１００００程度）。このため、コスト低減等のメリットを得ることができる。

しかしながら、絶縁シール材４０としてガラスシートを用いる場合には、電気化学装置１の運転実行によって絶縁シール材４０の厚みが減少する場合がある。具体的には、ガラスシートの絶縁シール材４０は、電気化学装置１の最初の運転によって実行される最初の焼成処理によって、ガラスシート中のガラス成分が焼成されると共に、ガラスシート中の有機バインダー成分が燃焼して除去される。また、このとき、ガラスシートの絶縁シール材４０が軟化する。その結果、ガラスシートを用いて形成した絶縁シール材４０の厚みは、電気化学装置１の運転開始後に運転実行前（最初の焼成処理前）から大きく減少する。その後、ガラスシートを用いて形成した絶縁シール材４０の厚みは、運転の継続にともなって、徐々に減少する。

絶縁シール材４０の厚みが減少したときには、セルスタック２において積層方向に隣接して並ぶセパレータ２０の間の絶縁状態が不十分になると共に、酸素極ガスの流路として機能する空間（内部空間ＳＰ４０、内部空間ＳＰ２３）を十分に確保することが困難になる場合がある。その結果、電気化学装置１においては、効率（発電効率、電解効率など）の低下が生ずる場合がある。特に、セルスタック２の積層方向が鉛直方向に沿う場合、セルスタック２の下側部分には大きな荷重が加わり、絶縁シール材４０が薄くなりやすいため、上記のような不具合が発生しやすい。

ガラスシート以外に、電気化学装置１の運転が実行されたときに厚みが減少する材料で絶縁シール材４０を形成した場合においても、同様な不具合が発生する場合がある。

上記のように、電気化学装置１の運転が実行されたときに絶縁シール材４０の厚みが減少することに起因して、電気化学装置１においては、効率（発電効率、電解効率など）の低下が生ずる場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、効率（発電効率、電解効率など）の低下を効果的に防止可能な電気化学装置を提供することである。

実施形態の電気化学装置は、セルスタックと一対のエンドプレートと連結部材とを備える。セルスタックは、水素極と酸素極との間に電解質膜が介在している電気化学セルを収容するセパレータ、および、絶縁材料で形成された絶縁シール材を含み、セパレータを絶縁シール材が挟むように、セパレータおよびの絶縁シール材が積層方向に交互に積層されている。一対のエンドプレートは、積層方向においてセルスタックを挟むように設置されている。連結部材は、一対のエンドプレートの間を連結するために設けられている。絶縁シール材は、電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する材料を用いて形成されている。セルスタックは、積層方向に直交する方向において絶縁シール材に並ぶように設置されているスペーサを有する。スペーサは、一対のエンドプレートの間において複数が積層方向に配置され、エンドプレートと積層方向においてエンドプレートに隣接して並ぶセパレータとの間、または、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータの間に介在している。スペーサは、電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する割合が、絶縁シール材よりも小さい材料で形成されている。電気化学装置の運転が実行される前は、スペーサの厚みが、絶縁シール材の厚みよりも薄い。そして、電気化学装置の運転が実行されたときに、スペーサの厚みが絶縁シール材の厚み以下の状態を保持するように構成されている。

図１Ａは、第１実施形態に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。 図１Ｂは、第１実施形態に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態の変形例１－１において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図３Ａは、第１実施形態の変形例１－２に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。 図３Ｂは、第１実施形態の変形例１－２において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図４Ａは、第２実施形態に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。 図４Ｂは、第２実施形態に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図５Ａは、第２実施形態の変形例２－１に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。 図５Ｂは、第２実施形態の変形例２－１において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図６Ａは、第２実施形態の変形例２－２に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。 図６Ｂは、第２実施形態の変形例２－２において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図７Ａは、関連技術に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。 図７Ｂは、関連技術に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。 図７Ｃは、関連技術に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。

＜第１実施形態＞
［Ａ］電気化学装置１
図１Ａは、第１実施形態に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。図１Ａにおいては、図７Ａと同様に、電気化学装置１のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った側面を図示している。

図１Ｂは、第１実施形態に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。図１Ｂでは、セルスタック２において、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙで規定される水平面（ｘｙ面）に沿った断面のうち、図１Ａ中のＺ２－Ｚ２部分（つまり、絶縁シール材４０の上面部分）を図示している。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本実施形態の電気化学装置１は、関連技術の場合（図７Ａおよび図７Ｃ参照）と同様に、セルスタック２とエンドプレート６０と連結部材７０とを有する。しかし、本実施形態の電気化学装置１は、関連技術の場合と異なり、スペーサ５０を更に有する。本実施形態の電気化学装置１は、この点および関連する点を除き、関連技術の場合と同様である。このため、重複する事項に関しては、適宜、説明を省略する。

［Ａ－１］セルスタック２
電気化学装置１において、セルスタック２は、図１Ａに示すように、セパレータ２０を絶縁シール材４０が挟むように、セパレータ２０と絶縁シール材４０とが積層方向（ここでは、鉛直方向ｚ）に交互に積層されている。

［Ａ－１－１］セパレータ２０
セルスタック２において、セパレータ２０は、関連技術の場合と同様に構成されており、セパレータ２０の内部には、電気化学セル１０が収容されている（図７Ｂを参照）。

［Ａ－１－２］絶縁シール材４０
セルスタック２において、絶縁シール材４０は、図１Ａに示すように、関連技術の場合と同様に、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間、および、エンドプレート６０と積層方向においてエンドプレート６０に隣接して並ぶセパレータ２０との間を、電気的に絶縁する共に、密封している。

絶縁シール材４０は、絶縁材料で形成されている。本実施形態では、絶縁シール材４０は、電気化学装置１の運転が実行されたときに厚みが減少する材料であるガラスシートを用いて形成されている。

本実施形態では、絶縁シール材４０は、図１Ｂに示すように、水平面の形状がセパレータ２０と同じでなく、セパレータ２０の上面の一部が露出する形状で構成されている。具体的には、セパレータ２０の上面のうち連結部材７０の近傍に位置する部分が絶縁シール材４０で被覆されずに露出するように、絶縁シール材４０が構成されている。

［Ａ－１－３］スペーサ５０
セルスタック２において、スペーサ５０は、図１Ａに示すように、一対のエンドプレート６０の間において、複数が積層方向（図１Ａでは、鉛直方向ｚ）に並ぶように配置されている。ここでは、積層方向に並ぶ複数の絶縁シール材４０のそれぞれに対応するように、複数のスペーサ５０のそれぞれが一対のエンドプレート６０の間に間隔を開けて配置されている。

具体的には、スペーサ５０は、エンドプレート６０と積層方向においてエンドプレート６０に隣接して並ぶセパレータ２０との間に介在している。また、スペーサ５０は、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間に介在している。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、スペーサ５０は、中央部分に貫通孔Ｋ５０を有する円形のリング体であって、棒状の連結部材７０が貫通孔Ｋ５０を貫通している。スペーサ５０は、セパレータ２０の上面に支持されており、積層方向に直交する方向（図１Ｂでは、ｘｙ面に沿った方向）において絶縁シール材４０に並ぶように設置されている。ここでは、スペーサ５０と絶縁シール材４０との間には、ギャップが介在している。

本実施形態では、スペーサ５０は、電気化学装置１の運転が実行されたときに厚みが減少する割合が、ガラスシートで形成された絶縁シール材４０よりも小さい材料であって、高い強度および高い絶縁性を備える材料を用いて形成されている。例えば、スペーサ５０は、マイカ、アルミナ等の絶縁材料を用いて形成されている。スペーサ５０において、セパレータ２０に接触しない部分については、金属材料などの導電材料を用いてもよい。

本実施形態では、電気化学装置１の運転が実行される前（未使用状態のとき；最初の焼成処理前）は、図１Ａに示すように、スペーサ５０の厚みＨ１ａが絶縁シール材４０の厚みＨ２ａよりも薄い（Ｈ１ａ＜Ｈ２ａ）。そして、図示を省略しているが、電気化学装置１の運転が実行されたとき（最初の焼成処理後）には、スペーサ５０の厚みＨ１ｂが絶縁シール材４０の厚みＨ２ｂ以下の状態を保持するように構成されている（Ｈ１ｂ≦Ｈ２ｂ）。

これにより、本実施形態では、セルスタック２において絶縁シール材４０が薄くなる材料で形成される場合であっても、積層方向で隣接して並ぶエンドプレート６０とセパレータ２０との間、および、積層方向で隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間は、スペーサ５０の厚みＨ１ｂ以上の状態を保持することができる。

本実施形態では、電気化学装置１の運転が実行されたとき（最初の焼成処理後）のスペーサ５０の厚みＨ１ｂは、電気化学装置１の運転が実行されたとき（最初の焼成処理後）の絶縁シール材４０の厚みＨ２ｂに対して、例えば、９０％以下であることが好ましい（つまり、Ｈ１ｂ≦０．９・Ｈ２ｂ）。例えば、最初の焼成処理前の絶縁シール材４０の厚みＨ２ａが１ｍｍであって、最初の焼成処理後の絶縁シール材４０の厚みＨ２ｂが０．５ｍｍである場合、最初の焼成処理後のスペーサ５０の厚みＨ１ｂは、０．４５ｍｍ以下であることが好ましい。

スペーサ５０が厚すぎる場合には、絶縁シール材４０が薄くなるに伴って絶縁シール材４０に加わる荷重が減少する場合があるため、絶縁シール材４０のシール性が低下する場合がある。スペーサ５０が薄すぎる場合には、絶縁シール材４０が薄くなるに伴って、絶縁シール材４０の絶縁性が低下すると共に、酸素極ガスの流路として機能する空間（内部空間ＳＰ４０、内部空間ＳＰ２３）を十分に確保することが困難になる場合がある。このため、スペーサ５０は、電気化学装置１の仕様を満たす厚みに設定される。

本実施形態では、絶縁シール材４０とスペーサ５０との間における上記の関係は、積層方向に直交する方向（図１Ｂでは、ｘｙ面に沿った方向）で並ぶ絶縁シール材４０とスペーサ５０との全ての組み合わせで満足している。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の電気化学装置１を構成するセルスタック２は、スペーサ５０を有する。本実施形態では、上述したように、絶縁シール材４０が薄くなる材料（ガラスシート）で形成されている場合であっても、積層方向において隣接して並ぶエンドプレート６０とセパレータ２０との間、および、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間は、スペーサ５０の厚みＨ１ｂ以上の状態を保持する。つまり、本実施形態では、スペーサ５０によって絶縁シール材４０の厚みの変化が抑制される。したがって、本実施形態では、絶縁シール材４０においてシール性および絶縁性が低下することを、スペーサ５０によって防止可能である。その結果、本実施形態では、電気化学装置１においては、効率（発電効率、電解効率など）の低下が生ずることを効果的に防止可能である。

また、本実施形態では、スペーサ５０は、貫通孔Ｋ５０を有し、棒状の連結部材７０が貫通孔Ｋ５０を貫通している。このため、本実施形態では、電気化学装置１を組み立てる際にスペーサ５０の位置合わせが容易であって、電気化学装置１を効率的に組み立てることが可能である。電気化学装置１を組み立てた後には、スペーサ５０の位置ズレが生じにくいため、電気化学装置１の信頼性を十分に確保することができる。

［Ｃ］変形例
以下より、上記実施形態の変形例について説明する。

［Ｃ－１］変形例１－１
図２は、第１実施形態の変形例１－１において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。図２では、図１Ｂと同様に、図１Ａ中のＺ２－Ｚ２部分（つまり、絶縁シール材４０の上面部分）を図示している。

図２に示すように、本変形例では、スペーサ５０は、上記実施形態の場合（図１Ｂを参照）と異なり、平行に並ぶ辺を含む四角形状のリング体である。このように、スペーサ５０の平面形状については、種々の形状を採用することができる。この場合においても、上記実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。

［Ｃ－２］変形例１－２
図３Ａは、第１実施形態の変形例１－２に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。図３Ａにおいては、図１Ａと同様に、電気化学装置１のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った側面を図示している。

図３Ｂは、第１実施形態の変形例１－２において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。図３Ｂでは、セルスタック２において、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙで規定される水平面（ｘｙ面）に沿った断面のうち、図３Ａ中のＺ２－Ｚ２部分（つまり、絶縁シール材４０の上面部分）を図示している。

本変形例においても、スペーサ５０は、図３Ａに示すように、積層方向に並ぶ複数の絶縁シール材４０のそれぞれに対応するように、複数のスペーサ５０のそれぞれが一対のエンドプレート６０の間に配置されている。

しかし、本変形例では、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、スペーサ５０は、絶縁シール材４０を囲うように構成された枠体である。ここでは、スペーサ５０の平面形状は、絶縁シール材４０の平面形状に同様に、十字形状であって、スペーサ５０と絶縁シール材４０との間に、ギャップが一定の幅で介在するように、スペーサ５０が構成されている。本変形例では、棒状の連結部材７０がスペーサ５０に貫通していないが、枠体であるスペーサ５０の内部を絶縁シール材４０が貫通している。このため、本変形例においても、上記実施形態の場合と同様に、スペーサ５０の位置決めを容易に実行することができるので、電気化学装置１の組み立てが容易である。

＜第２実施形態＞
［Ａ］電気化学装置１
図４Ａは、第２実施形態に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。図４Ａにおいては、図１Ａと同様に、電気化学装置１のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った側面を図示している。

図４Ｂは、第２実施形態に係る電気化学装置１を構成するセルスタック２の一部を模式的に示す図である。図４Ｂでは、セルスタック２において、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙで規定される水平面（ｘｙ面）に沿った断面のうち、図４Ａ中のＺ２－Ｚ２部分（つまり、絶縁シール材４０の上面部分）を図示している。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、本実施形態の電気化学装置１は、第１実施形態の場合（図１Ａおよび図１Ｂ参照）と同様に、セルスタック２とエンドプレート６０と連結部材７０とスペーサ５０とを有する。しかし、本実施形態の電気化学装置１は、スペーサ５０の形態が、第１実施形態の場合と異なっている。本実施形態の電気化学装置１は、この点および関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複する事項に関しては、適宜、説明を省略する。

［Ａ－１］セルスタック２
セルスタック２は、図４Ａに示すように、セパレータ２０を絶縁シール材４０が挟むように、セパレータ２０と絶縁シール材４０とが積層方向（ここでは、鉛直方向ｚ）に交互に積層されている。

［Ａ－１－１］セパレータ２０
セルスタック２において、セパレータ２０は、第１実施形態の場合と同様に構成されており、セパレータ２０の内部には、電気化学セル１０が収容されている（図７Ｂを参照）。

［Ａ－１－２］絶縁シール材４０
セルスタック２において、絶縁シール材４０は、図４Ａに示すように、第１実施形態の場合と同様に、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間、および、エンドプレート６０と積層方向においてエンドプレート６０に隣接して並ぶセパレータ２０との間を、電気的に絶縁する共に、密封している。

絶縁シール材４０は、第１実施形態の場合と同様に、電気化学装置１の運転が実行されたときに厚みが減少する材料であるガラスシートを用いて形成されている。本実施形態では、絶縁シール材４０は、図４Ｂに示すように、水平面の形状がセパレータ２０と同じ形状で構成されている。

［Ａ－１－３］スペーサ５０
セルスタック２において、スペーサ５０は、図４Ａに示すように、一対のエンドプレート６０の間に配置されている。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、スペーサ５０は、中央部分に貫通孔Ｋ５０を有する円筒体であって、棒状の連結部材７０が貫通孔Ｋ５０を貫通している。ここでは、第１実施形態の場合（図１Ａを参照）と異なり、一つの連結部材７０に対して複数のスペーサ５０が設置されずに、一つの連結部材７０に対して一つのスペーサ５０が設置されている。つまり、本実施形態では、一対のエンドプレート６０の間において、スペーサ５０は、積層方向に直交する方向（図４Ａではｘｙ面に沿った方向）では、複数が配置されているが、積層方向（図４Ａでは、鉛直方向ｚ）では、複数のスペーサ５０が配置されずに、一つのスペーサ５０が配置されている。

スペーサ５０は、図４Ａに示すように、一対のエンドプレート６０のうち、積層方向で下方に位置するエンドプレート６０の上面に支持されている。また、スペーサ５０は、図４Ｂに示すように、積層方向に直交する方向（図４Ｂでは、ｘｙ面に沿った方向）において絶縁シール材４０に並ぶように設置されている。

スペーサ５０は、第１実施形態の場合と同様に、電気化学装置１の運転が実行されたときに厚みが減少する割合が、絶縁シール材４０よりも小さい材料で形成されている。例えば、スペーサ５０は、マイカ、アルミナ等の絶縁材料を用いて形成されている。

本実施形態では、電気化学装置１の運転が実行される前（未使用状態のとき；最初の焼成処理前）は、図４Ａに示すように、スペーサ５０の厚みＨ１ａがセルスタック２の厚みＨ３ａよりも薄い（つまり、Ｈ１ａ＜Ｈ３ａ）。そして、図示を省略しているが、電気化学装置１の運転が実行されたとき（最初の焼成処理後）には、スペーサ５０の厚みＨ１ｂがセルスタック２の厚みＨ３ｂ以下の状態を保持するように構成されている（つまり、Ｈ１ｂ≦Ｈ３ｂ）。

これにより、本実施形態では、絶縁シール材４０が薄くなる材料で形成されている場合であっても、セルスタック２の厚みＨ３ｂは、スペーサ５０の厚みＨ１ｂ以上の状態を保持することができる。その結果、本実施形態でも、セルスタック２において、積層方向で隣接して並ぶエンドプレート６０とセパレータ２０との間、および、積層方向で隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間は、スペーサ５０の厚みＨ１ｂ以上の状態を保持することができる。

なお、本実施形態では、電気化学装置１の運転が実行されたとき（最初の焼成処理後）のスペーサ５０の厚みＨ１ｂは、下記式に示す関係を満たすことが好ましい。下記式において、Ｈ３２ｂは、電気化学装置１の運転が実行されたとき（最初の焼成処理後）のセルスタック２において、複数の絶縁シール材４０の厚みの値であり、Ｈ３１ｂは、複数の絶縁シール材４０以外の部分の厚みの値である。

Ｈ１ｂ≦０．９・Ｈ３２ｂ＋Ｈ３１ｂ

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態の電気化学装置１を構成するセルスタック２は、第１実施形態の場合と同様に、絶縁シール材４０が薄くなる材料（ガラスシート）で形成されている。本実施形態では、この場合であっても、積層方向において隣接して並ぶエンドプレート６０とセパレータ２０との間、および、積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータ２０の間が、スペーサ５０の厚みＨ１ｂ以上の状態を保持する。つまり、本実施形態では、スペーサ５０によって絶縁シール材４０の厚みの変化が抑制される。したがって、本実施形態では、絶縁シール材４０においてシール性および絶縁性が低下することを、スペーサ５０によって防止可能である。その結果、本実施形態では、電気化学装置１においては、効率（発電効率、電解効率など）の低下が生ずることを効果的に防止可能である。

また、本実施形態では、スペーサ５０は、第１実施形態の場合と同様に、貫通孔Ｋ５０を有し、棒状の連結部材７０が貫通孔Ｋ５０を貫通している。このため、電気化学装置１を組み立てる際に、スペーサ５０の位置合わせが容易である。更に、本実施形態では、第１実施形態の場合と異なり、複数の絶縁シール材４０のそれぞれに対して複数のスペーサ５０のそれぞれを積層方向に設置していない。積層方向に設置するスペーサ５０の数は、単数である。したがって、本実施形態では、電気化学装置１の組み立てを、第１実施形態の場合よりも効率的に実行可能である。

［Ｃ］変形例
以下より、上記実施形態の変形例について説明する。

［Ｃ－１］変形例２－１
図５Ａは、第２実施形態の変形例２－１に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。図５Ａにおいては、図４Ａと同様に、電気化学装置１のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った側面を図示している。

図５Ｂは、第２実施形態の変形例２－１において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。図５Ｂでは、セルスタック２において、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙで規定される水平面（ｘｙ面）に沿った断面のうち、図５Ａ中のＺ２－Ｚ２部分（つまり、絶縁シール材４０の上面部分）を図示している。

本変形例においても、スペーサ５０は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、一対のエンドプレート６０の間において、積層方向に直交する方向（ｘｙ面に沿った方向）では、複数が配置されているが、積層方向（鉛直方向ｚ）では、複数のスペーサ５０が配置されずに、一つのスペーサ５０が配置されている。

しかし、本変形例では、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、スペーサ５０は、積層方向に延在する棒状体である。ここでは、棒状体のスペーサ５０は、棒状の連結部材７０と絶縁シール材４０との間に介在するように設置されている。このように、スペーサ５０の形状については、種々の形状を採用することができる。この場合においても、上記実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。

［Ｃ－２］変形例２－２
図６Ａは、第２実施形態の変形例２－２に係る電気化学装置１の一例を模式的に示す側面図である。図６Ａにおいては、図４Ａと同様に、電気化学装置１のうち、鉛直方向ｚおよび第１水平方向ｘで規定される鉛直面（ｘｚ面）に沿った側面を図示している。

図６Ｂは、第２実施形態の変形例２－２において、セルスタック２の一部を模式的に示す図である。図６Ｂでは、セルスタック２において、第１水平方向ｘおよび第２水平方向ｙで規定される水平面（ｘｙ面）に沿った断面のうち、図６Ａ中のＺ２－Ｚ２部分（つまり、絶縁シール材４０の上面部分）を図示している。

本変形例では、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、一対のエンドプレート６０の間に、一つのスペーサ５０が配置されている。

本変形例では、スペーサ５０は、絶縁シール材４０と棒状の連結部材７０との両者を囲うように構成された枠体である。このように、スペーサ５０の形状については、種々の形状を採用することができる。この場合においても、上記実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：電気化学装置、２：セルスタック、１０：電気化学セル、１１：支持体、１２：水素極、１３：電解質膜、１４：酸素極、２０：セパレータ、２１：第１セパレータ構成部材、２２：第２セパレータ構成部材、２３：第３セパレータ構成部材、４０：絶縁シール材、５０：スペーサ、６０：エンドプレート、７０：連結部材、２１０：シール材層、２２０：シール材層、Ｆ２：ガス流路、Ｋ５０：貫通孔、ＳＰ２２：内部空間、ＳＰ２３：内部空間、ＳＰ４０：内部空間

Claims (7)

1. 水素極と酸素極との間に電解質膜が介在している電気化学セルを収容するセパレータ、および、絶縁材料で形成された絶縁シール材を含み、前記セパレータを前記絶縁シール材が挟むように、前記セパレータおよび前記の絶縁シール材が積層方向に交互に積層されているセルスタックと、
   前記積層方向において前記セルスタックを挟むように設置された一対のエンドプレートと
   前記一対のエンドプレートの間を連結するための連結部材と
   を備える電気化学装置であって、
   前記絶縁シール材は、前記電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する材料を用いて形成されており、
   前記セルスタックは、
   前記積層方向に直交する方向において前記絶縁シール材に並ぶように設置されているスペーサ
   を有し、
   前記スペーサは、前記一対のエンドプレートの間において複数が前記積層方向に配置され、前記エンドプレートと前記積層方向において前記エンドプレートに隣接して並ぶセパレータとの間、または、前記積層方向において隣接して並ぶ一対のセパレータの間に介在しており、
   前記電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する割合が、前記絶縁シール材よりも小さい材料で前記スペーサが形成されており、
   前記電気化学装置の運転が実行される前は、前記スペーサの厚みが、前記絶縁シール材の厚みよりも薄く、
   前記電気化学装置の運転が実行されたときに、前記スペーサの厚みが前記絶縁シール材の厚み以下の状態を保持するように構成されている、
   電気化学装置。
2. 前記連結部材は、棒状であり、
   前記スペーサは、前記連結部材が貫通する貫通孔を有する、
   請求項１に記載の電気化学装置。
3. 前記スペーサは、前記絶縁シール材を囲うように構成された枠体である、
   請求項１に記載の電気化学装置。
4. 水素極と酸素極との間に電解質膜が介在している電気化学セルを内部に収容するセパレータ、および、絶縁材料で形成された絶縁シール材を含み、前記セパレータを前記絶縁シール材が挟むように、前記セパレータおよび前記の絶縁シール材が積層方向に交互に積層されているセルスタックと、
   前記積層方向において前記セルスタックを挟むように設置された一対のエンドプレートと
   前記一対のエンドプレートの間を締結するための連結部材と
   を備える電気化学装置であって、
   前記絶縁シール材は、前記電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する材料を用いて形成されており、
   前記セルスタックは、
   前記積層方向に直交する方向において前記絶縁シール材に並ぶように設置されているスペーサ
   を有し、
   前記スペーサは、前記一対のエンドプレートの間に配置されており、
   前記電気化学装置の運転が実行されたときに厚みが減少する割合が、前記絶縁シール材よりも小さい材料で前記スペーサが形成されており、
   前記電気化学装置の運転が実行される前は、前記スペーサの厚みが、前記セルスタックの厚みよりも小さく、
   前記電気化学装置の運転が実行されたときに、前記スペーサの厚みが前記セルスタックの厚み以下の状態を保持するように構成されている、
   電気化学装置。
5. 前記連結部材は、棒状であり、
   前記スペーサは、前記連結部材が貫通する貫通孔を有する、
   請求項４に記載の電気化学装置。
6. 前記スペーサは、前記積層方向に延在する棒状体である、
   請求項５に記載の電気化学装置。
7. 前記スペーサは、前記絶縁シール材を囲うように構成された枠体である、
   請求項６に記載の電気化学装置。

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