JP2024060852A - 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 - Google Patents

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、第１方向に延びる第１流路と、第１方向に交差する第２方向に延びる少なくとも２つの第２流路と、素子部とを備える。第２流路は、第１方向に並ぶ。素子部は、第１流路と第２流路との間に位置する。第１流路の下流側に位置する第２流路は、第１流路の上流側に位置する第２流路よりも断面積が大きい。【選択図】図７Ａ

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、燃料電池セルまたは電解セルを複数有する電気化学セル装置が種々提案されている。たとえば、電気化学セルの一種である電解セルは、外部から供給された電力と水蒸気とを用いて水素ガスと酸素ガスとを発生させる、または二酸化炭素を用いて一酸化炭素と酸素とを発生させることができる。

特開２０２１－１８０１６４号公報 特開２０１５－２２００２２号公報

しかしながら、従来の電気化学セル装置では、たとえば、電解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、第１方向に延びる第１流路と、前記第１方向に交差する第２方向に延びる少なくとも２つの第２流路と、素子部とを備える。第２流路は、前記第１方向に並ぶ。素子部は、前記第１流路と前記第２流路との間に位置する。前記第１流路の下流側に位置する第２流路は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路よりも断面積が大きい。

実施形態の一態様に係る電気化学セル装置は、第１方向に延びる第１流路と、前記第１方向に交差する第２方向に延びる少なくとも２つの第２流路と、素子部とを備える。第２流路は、前記第１方向に並ぶ。素子部は、前記第１流路と前記第２流路との間に位置する。前記第１流路の下流側に位置する第２流路と前記素子部との接触面積は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路と前記素子部との接触面積よりも大きい。

実施形態の一態様に係る電気化学セル装置は、第１方向に延びる第１流路と、前記第１方向に交差する第２方向に延びる第２流路と、素子部とを備える。素子部は、前記第１流路と前記第２流路との間に位置する。前記第１流路の下流側に位置する第２流路の部分を流れるガスの流量は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路の部分を流れるガスの流量よりも大きい。

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酸素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３Ａ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３Ｂは、図３Ａに示す電気化学セル装置が有する電気化学セルを厚み方向に平面視した図である。 図４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５は、第２の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す斜視図である。 図６は、図５に示す電気化学セルが有する第１流路の一例を示す断面図である。 図７Ａは、図５に示す電気化学セルが有する第２流路の一例を示す断面図である。 図７Ｂは、図５に示す電気化学セルが有する第２流路の他の一例を示す断面図である。 図７Ｃは、図５に示す電気化学セルが有する第２流路の他の一例を示す断面図である。

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、固体酸化物形の電解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酸素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、水素極層５と、固体電解質層６と、酸素極層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と酸素極層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、酸素極層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。ガス流路２ａは、第１流路の一例である。支持基板２は、ガス透過性を有し、水素極層５で生成した水素ガスをガス流路２ａ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、インターコネクタ４と素子部３とを電気的に接続する。

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。

水素極層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。水素極層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、水素極層５と酸素極層８との間でイオンの受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、水素含有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。

酸素極層８は、ガス透過性を有している。酸素極層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。

酸素極層８の材料は、一般的に酸素極に用いられるものであれば特に制限はない。酸素極層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。

酸素極層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。酸素極層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、一般的に酸素極層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を流通する水素含有ガス、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、タンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびタンク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。

タンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に水蒸気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、タンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、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とタンク１６とで形成される内部空間２２を有している。タンク１６には流通管２０が接続されている。水蒸気または水は、この流通管２０を通してタンク１６に供給され、タンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）には水蒸気が供給される。

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。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の水素極層５と他方のセル１の酸素極層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の水素極層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の酸素極層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。

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、一つの電解セルとして機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、陽極端子１９Ａと、陰極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。

陽極端子１９Ａは、セルスタック１１の外部から電力を入力する場合の陽極であり、セルスタック１１Ａにおける陽極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。陰極端子１９Ｂは、セルスタック１１の外部から電力を入力する場合の陰極であり、セルスタック１１Ｂにおける陰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における陰極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける陽極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。

なお、セル１の内部で発生した水素ガスは、ガス流路２ａを介してセル１から排出される。セルスタック１１を挟んでタンク１６の反対側には、不図示のガスタンクが設けられてもよい。かかるガスタンクには、セル１から排出された水素含有ガスが貯留される。

つづいて、本実施形態に係る電気化学セル装置の詳細について、図３Ａ、図３Ｂを参照しながらさらに説明する。図３Ａ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３Ｂは、図３Ａに示す電気化学セル装置が有する電気化学セルを厚み方向に平面視した図である。図３Ａに示す電気化学セル装置は、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を拡大視したものに相当する。なお、図３Ａ、図３Ｂ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。

図３Ａに示すように、セル１は、第１流路としてのガス流路２ａを有している。ガス流路２ａは、供給口２ａ１と排出口２ａ２とを有する。供給口２ａ１には、内部空間２２内に貯留された水蒸気が供給される。排出口２ａ２からは、セル１の素子部３で発生した水素を含む水素含有ガスが排出される。供給口２ａ１から排出口２ａ２に向かう方向を第１方向とする。また、ガス流路２ａのうち、供給口２ａ１に近い部分を第１流路の上流側、排出口２ａ２に近い部分を第１流路の下流側と称する。

また、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が位置する空間９を有している。第２流路である空間９には、第１方向に交差する第２方向に沿うように空気などの酸素含有ガスが流れている。第２方向は、たとえば、セル１の幅方向Ｗであってもよい。

かかるセルスタック装置１０は、素子部３における吸熱反応に起因して電気分解時の温度にばらつきが生じる場合がある。具体的には、セル１のうち、第１流路の下流側に位置するセル１の領域１ｂの方が、第１流路の上流側に位置するセル１の領域１ａ側よりも温度が上昇する。このため、セル１の領域１ｂでは、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、本実施形態では、領域１ａに面する空間９の第１部分９ａと領域１ｂに面する空間９の第２部分９ｂとの間で、空間９を流れるガスの流量を異ならせることで温度のばらつきを低減させることとした。具体的には、図３Ｂに示すように、領域１ｂに面する第２部分９ｂを流れるガスの流量（矢印４２で図示）は、領域１ａに面する第１部分９ａを流れるガスの流量（矢印４１で図示）よりも大きい。

これにより、第２部分９ｂに面する領域１ｂでは、空間９を流れる酸素含有ガスにより放熱性が高まり、領域１ｂ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、セルスタック装置１０の耐久性が高くなる。

ここで、空間９を流れるガスの流量を第１部分９ａと第２部分９ｂとで異ならせるためには、たとえば、送風機または送気用のダクトを第２部分９ｂに向けて送風を行う構成を採用することができる。

＜モジュールおよびモジュール収容装置＞
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およびモジュール収容装置について、図４を用いて説明する。

図４は、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。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、モジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。

モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器１０１内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。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。

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４においては一部構成を省略して示している。

図４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４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。

［第２の実施形態］
図５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５に示すセル１Ａは、素子部３Ａと、素子部３Ａを挟む導電部材９１，９２とを有する平板型の電気化学セルである。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、水素極層５ａ（図６参照））および第２電極層（たとえば、酸素極層８ａ（図７Ａ参照））を有する。素子部３Ａは、図１Ａに示す素子部３と同様の構成を有することができる。水素極層５ａおよび酸素極層８ａは、水素極層５および酸素極層８と同じ材料で構成されてもよい。また、素子部３Ａは、固体電解質層と第２電極層との間に位置する中間層を有してもよい。

導電部材９１は、第１方向３０に水素含有ガスが流れる第１流路９７を有している。導電部材９２は、第１方向３０に交差する第２方向４０に酸素含有ガスが流れる第２流路９８を有している。導電部材９１，９２は、不図示のシール部材等で封止されている。

図６は、図５に示す電気化学セルが有する第１流路の一例を示す断面図である。図６に示すように、第１流路９７は、供給口９７１と排出口９７２とを有する。供給口９７１には、水蒸気が供給される。排出口９７２からは、素子部３Ａで発生した水素を含む水素含有ガスが排出される。

図７Ａは、図５に示す電気化学セルが有する第２流路の一例を示す断面図である。図７Ａに示すように、導電部材９２は、第１方向３０に沿って並ぶ５つの第２流路９８１～９８５を有している。第２流路９８１は、第１方向３０の上流側に位置する導電部材９２の端面９２１側に位置している。第２流路９８５は、第１方向３０の下流側に位置する導電部材９２の端面９２２側に位置している。第２流路９８３は、第１方向３０の中央部に位置している。第２流路９８２は、第２流路９８１と第２流路９８３との間に位置しており、第２流路９８４は、第２流路９８３と第２流路９８５との間に位置している。

かかるセルスタック装置１０は、素子部３Ａにおける吸熱反応に起因して電気分解時の温度にばらつきが生じる場合がある。具体的には、第１流路９７の下流側に位置する素子部３Ａの方が、第１流路９７の上流側に位置する素子部３Ａよりも温度が上昇する。このため、第１流路９７の上流側に位置する素子部３Ａでは、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、本実施形態では、第１流路９７の上流側と下流側とで、素子部３Ａを挟んで第１流路９７と向かい合う第２流路９８の断面積を異ならせることで温度のばらつきを低減させることとした。具体的には、第１流路９７の下流側に位置する第２流路９８は、第１流路９７の上流側に位置する第２流路９８よりも断面積が大きい。

これにより、第１流路９７の下流側では、第２流路９８を流れる酸素含有ガスにより放熱性が高まり、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１０の耐久性が高くなる。

図７Ｂは、図５に示す電気化学セルが有する第２流路の他の一例を示す断面図である。図７Ｂに示すように、導電部材９２は、第１方向３０の上流側から下流側に沿って順に並ぶ５つの第２流路９８１ａ～９８５ａを有している。

図７Ｂに示すように、第１流路９７の上流側と下流側とで、素子部３Ａを挟んで第１流路９７と向かい合う第２流路９８と素子部３Ａとの接触面積を異ならせることで温度のばらつきを低減させることとしてもよい。具体的には、第１流路９７の下流側に位置する第２流路９８と素子部３Ａとの接触面積は、第１流路９７の上流側に位置する第２流路９８と素子部３Ａとの接触面積よりも大きい。

これにより、第１流路９７の下流側では、第２流路９８を流れる酸素含有ガスにより放熱性が高まり、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１０の耐久性が高くなる。

図７Ｃは、図５に示す電気化学セルが有する第２流路の他の一例を示す断面図である。図７Ｃに示すように、導電部材９２は、第１方向３０の上流側から下流側に沿って順に並ぶ５つの第２流路９８１ｂ～９８５ｂを有している。

図７Ｃに示すように、第１流路９７の上流側と下流側とで、素子部３Ａを挟んで第１流路９７と向かい合う第２流路９８を流れるガスの流量を異ならせることで温度のばらつきを低減させることとしてもよい。具体的には、第１流路９７の下流側に位置する第２流路９８を流れるガスの流量は、第１流路９７の上流側に位置する第２流路９８を流れるガスの流量よりも大きい。

これにより、第１流路９７の下流側では、第２流路９８を流れる酸素含有ガスにより放熱性が高まり、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１０の耐久性が高くなる。

＜その他の実施形態＞
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を示したが、他の例としてはそれぞれ、共電解セル、共電解セルスタック装置、共電解モジュールおよび共電解装置であってもよい。共電解セルは、電力の供給により、たとえば水蒸気および二酸化炭素から炭化水素および酸素を発生する。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主に酸化物イオン伝導体の場合について示したが、水素イオン伝導体、水酸化物イオン伝導体であってもよい。第１流路、第２流路を流れるガスの種類は、電解質材料の特性に応じて適宜選択してもよい。

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。たとえば、図５に示す第２流路９８として、図７Ａ～図７Ｃに示す第２流路９８１～９８５、９８１ａ～９８５ａ、９８１ｂ～９８５ｂの構成を適宜組み合わせた構成としてもよい。

一実施形態において、（１）電気化学セル装置は、第１方向に延びる第１流路と、
前記第１方向に交差する第２方向に延び、前記第１方向に並ぶ少なくとも２つの第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路との間に位置する素子部と
を備え、
前記第１流路の下流側に位置する第２流路は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路よりも断面積が大きい。

また、一実施形態において、（２）電気化学セル装置は、第１方向に延びる第１流路と、
前記第１方向に交差する第２方向に延び、前記第１方向に並ぶ少なくとも２つの第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路との間に位置する素子部と
を備え、
前記第１流路の下流側に位置する第２流路と前記素子部との接触面積は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路と前記素子部との接触面積よりも大きい。

また、一実施形態において、（３）電気化学セル装置は、第１方向に延びる第１流路と、
前記第１方向に交差する第２方向に延びる第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路との間に位置する素子部と
を備え、
前記第１流路の下流側に位置する第２流路の部分を流れるガスの流量は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路の部分を流れるガスの流量よりも大きい。

（４）モジュールは、上記（１）～（３）のいずれか１つ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。

（５）モジュール収容装置は、上記（４）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。

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。

１，１Ａ セル
３，３Ａ 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 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

Claims (5)

1. 第１方向に延びる第１流路と、
   前記第１方向に交差する第２方向に延び、前記第１方向に並ぶ少なくとも２つの第２流路と、
   前記第１流路と前記第２流路との間に位置する素子部と
   を備え、
   前記第１流路の下流側に位置する第２流路は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路よりも断面積が大きい
   電気化学セル装置。
2. 第１方向に延びる第１流路と、
   前記第１方向に交差する第２方向に延び、前記第１方向に並ぶ少なくとも２つの第２流路と、
   前記第１流路と前記第２流路との間に位置する素子部と
   を備え、
   前記第１流路の下流側に位置する第２流路と前記素子部との接触面積は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路と前記素子部との接触面積よりも大きい
   電気化学セル装置。
3. 第１方向に延びる第１流路と、
   前記第１方向に交差する第２方向に延びる第２流路と、
   前記第１流路と前記第２流路との間に位置する素子部と
   を備え、
   前記第１流路の下流側に位置する第２流路の部分を流れるガスの流量は、前記第１流路の上流側に位置する第２流路の部分を流れるガスの流量よりも大きい
   電気化学セル装置。
4. 請求項１～３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。
5. 請求項４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。

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