JP4767406B2 - Electrochemical device and integrated electrochemical device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学セルを複数備えた一体型の電気化学装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
「燃料電池発電」(電気学会、燃料電池の運転性調査専門委員会編)コロナ社、第77頁には、多孔質基体上に複数の固体電解質型燃料電池の単電池を形成することが記載されている。即ち、多孔質基体の表面上に、微細な空気極、固体電解質膜、燃料極を順次形成することで各単電池を形成する。この際、多孔質基体上に多数の単電池を形成する。そして、隣接する単電池の燃料極と空気極との間にインターコネクター膜をそれぞれ形成し、隣接する単電池を電気的に直列接続する。そして、多孔質基体を酸化性ガスが透過し、多孔質基体に接触している空気極内を拡散する。この一方、燃料ガスは燃料極を透過し、発電に寄与する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
こうした集合電池は、小さい体積内に多数の発電素子を集積し、単位空間当たりの発電量を向上させ得るものであり、このため優れた設計思想として認知されてきた。
【0004】
しかし、本発明者が更に検討を加えてみると、実際には以下の困難な問題があった。即ち、例えば酸化性ガスは、いったん多孔質基板を通過し、その後で、多孔質基板に接触する空気極内を拡散する必要がある。しかし、多孔質基板は、集合電池の全体の構造強度を保持する部分であり、このためにある程度の厚さと緻密性とが必要である。ところが、多孔質基板が厚くなり、あるいは気孔率を低下させると、多孔質基板中を酸化性ガスが透過しにくくなり、このために多孔質基板に接触する空気極内まで拡散しにくく、利用効率が低くなる。
【0005】
また、隣接する電気化学セルは、多孔質基板上に成膜されたインターコネクター膜によって接続する必要がある。従って、インターコネクターは、燃料ガスに曝露されると共に、多孔質基板を拡散してくる酸化性ガスに対しても必然的に曝露される。この曝露時の温度は例えば1000℃である。このため、インターコネクターの材質は、高い導電性、高温における酸化ガスへの安定性、および高温における燃料ガスへの安定性という3つの条件を備えていなければならないが、実際にはこうした材質はほとんど知られていない。この結果、隣接する単電池間の接続に伴う抵抗が大きくなったり、あるいは長期間運転すると、インターコネクターの材質の劣化によって単電池間の接続抵抗が増大したりする。
【0006】
本発明の課題は、複数の電気化学セルを電気的に接続してなる構造の電気化学装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減らすことができるようにし、かつ、隣接する電気化学セルの接続部分の材質の劣化を抑制できるようにすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体電解質層と、この固体電解質層上に設けられた複数の第一の電極と、固体電解質層上に設けられた複数の第二の電極とを備えており、第一の電極と第二の電極とによって複数の電気化学セルが構成されている電気化学装置であって、固体電解質層を貫通する少なくとも一つのスルーホール導電体を備えており、隣接する少なくとも二つの電気化学セルがスルーホール導電体を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【0008】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を説明する。
【0009】
図1(a)は、本発明の一実施形態に係る電気化学装置5を示す断面図であり、(b)は、図1(a)の装置5を第一の電極16側から見た平面図である。
【0010】
図1の装置5には、複数個、例えば4個の電気化学セル15が設けられており、各セル15は互いに直列接続されている。即ち、固体電解質層9は、本例では平面的に見て長方形の平板形状をしている。固体電解質層9の一方の面9c上には第一の電極16が例えば4個形成されており、他方の面9d上には第二の電極17が例えば4個形成されている。各第一の電極16は、それぞれ対応する第二の電極17と電気化学セル15を構成している。Bは、電気化学装置5の主要な作用領域である。
【0011】
隣接する第一の電極16の間には細長い隙間23が形成されており、隣接するセルの電極16間を絶縁している。また、隣接する第二の電極17の間には細長い隙間24が形成されており、隣接するセルの電極17間を絶縁している。各電極16の端部は、隣接するセルの電極17の端部に対して、固体電解質層9を挟んで対向している。固体電解質層9内には、前記した端部の対向領域においてスルーホール導電体22が設けられている。各スルーホール導電体22によって、隣接する電気化学セル15の電極16と17とが直列に接続されている。
【0012】
こうした電気化学装置によれば、1枚の基板上に複数の電気化学セルを設けた装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減らすことができる。なぜなら、固体電解質層それ自体を、全体を支持する基板として使用し、別体の多孔質基板を必要としないからである。また、スルーホール導電体22の側周面は固体電解質層9によって被覆されており、従って酸化性ガスや燃料ガスには曝露されないので、スルーホール導電体の材質の劣化も生じにくい。むろん、スルーホール導電体22の図1において上側端面と下側端面のみは、電極16、17を介して拡散してきた外部のガスに対して接触する。しかし、これは電極を拡散透過してきた後のガスなので、ガス中の酸素や燃料の濃度は低く、ガスの絶対量も少ないので、スルーホール導電体の劣化の度合いは少ない。
【0013】
なお、図1の例では、隣接するセル15を直列接続した。このように、一枚の固体電解質層において複数の電気化学セルを直列接続することで、例えば取り出し電圧を増大させることができ、その分電流値を低減させることができる。電流値が減少すると、それだけ装置内部における電流損失を低減できる。
【0014】
特に好適な実施形態においては、固体電解質層中において隣接するセルを直列接続する。しかし、隣接するセルを並列接続することも可能である。
【0015】
好適な実施形態においては、固体電解質層の一方の面上に複数の第一の電極が設けられており、固体電解質層の他方の面上に複数の第二の電極が設けられている。
【0016】
また、好適な実施形態においては、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部とが、固体電解質層を挟んで対向する位置に設けられており、第一の電極の端部と第二の電極の端部とが、スルーホール導電体によって電気的に接続されている。ここで、第一の電極の端部と第二の電極の端部とが固体電解質層を挟んで対向する位置に設けられているとは、固体電解質層に対して垂直な方向X(図1(a)参照)から見て重複する位置にあることを意味している。この場合には、この重複領域内にスルーホール導電体を設けることによって、第一の電極の端部と第二の電極の端部とを容易に接続できる。
【0017】
本発明の電気化学装置は、固体電解質型燃料電池の他、酸素ポンプや高温水蒸気電解セルとして使用できる。このセルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。更に、本発明の装置を、NOx、炭化水素、一酸化炭素の各分解セルとして使用できる。
【0018】
第一のガスと第二のガスは、同じであっても、異なっていてもよい。その種類は、酸化性ガス、還元性ガス、不活性ガスなどがあり、用途によって好ましい実施形態がある。
【0019】
燃料電池の場合には、第一のガスが酸化性ガスであり、第二のガスが還元性ガスである。酸化性ガスとしては、空気や酸素などがある。また、還元性ガスとしては、水素やメタン、一酸化炭素などを含むガスを例示できる。燃料電池では、第一の電極が電位が高く、陽極であり、第二の電極は電位が低く、陰極である。この場合の第一の電極はカソード、第二の電極はアノードの働きをする。
【0020】
更に、酸素ポンプの場合には、第一、第二のガスは酸化性であっても、還元性ガスであってもよい。たとえば、第一のガスは空気や酸素であり、第二のガスが酸素を注入される側のプロセスガスであり、不活性ガスなどを例示できる。この場合、第一の電極は陰極でカソードとして働き、また、第二の電極は陽極でアノードとして働く。
【0021】
また、NOx分解装置や水蒸気除去装置の場合、第一のガスは、不活性ガスや空気である。第二のガスは、NOxや水蒸気を含むプロセスガスであり、各種内燃機関の排ガスの他、不活性ガスや水素、メタンである。この場合、第一の電極は陰極でカソードとして働き、また、第二の電極は陽極でアノードとして働く。
【0022】
固体電解質層の材質は、イットリア安定化ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア、酸化セリウム系セラミックスの他、ランタンガレート、スカンジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニアを例示できる。
【0023】
陽極の主原料は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。
【0024】
陰極の主原料は、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケル─ジルコニア混合粉末、酸化ニッケル─ジルコニア混合粉末、パラジウム、白金、パラジウム−ジルコニア混合粉末、白金─ジルコニア混合粉末、ニッケル−セリア、酸化ニッケル−セリア、パラジウム−セリア、白金−セリアの各混合粉末等が好ましい。
【0025】
スルーホール導電体の材質は、鉄、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウム、珪素、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、モリブデン、タングステンなどの金属、ランタンクロマイト、ランタンコバルタイト、ランタンマンガナイトなどの導電性セラミックス、前記した金属とセラミックスとの複合材料、前記した導電性セラミックスとセラミックスとの複合材料が好ましい。
【0026】
また、本発明は、前記の電気化学装置を複数積層して構成した集積電気化学装置を提供するものである。
【0027】
好適な実施形態においては、集積電気化学装置は、前記の電気化学装置を複数備えている。そして、セラミックスからなる周壁部および周壁部内に埋設されている周壁部内スルーホール導電体を備えており、周壁部の内側に第一のガス通路と第二のガス通路とが形成されており、複数の固体電解質層が周壁部の内側に設けられており、第一の電極が第一のガス通路に面しており、第二の電極が第二のガス通路に面している。
【0028】
図2−図4は、この実施形態に係るものである。図2は、集積電気化学装置30の各層を示す分解斜視図であり、図3は、図2のIII−III線断面図であり、図4は、図2のIV−IV線断面図である。
【0029】
図3、図4の例では、例えば5列の電気化学装置5A−5Eを積層し、集積電気化学装置内に組み込んである。図2においては、紙面の制約から、装置の上端から固体電解質層9Dまでの各部分を分解斜視図として示す。
【0030】
装置30は、複数の電気化学装置9A−9Eを備えた機能部13と、機能部13を包囲する周壁部12とからなる。装置30の全体は、例えばグリーンシート積層法によって作製されている。即ち、末端層1Aと末端層1Bとの間に、セパレータ層8A、8B、8C、8D、8E、8Fと、電気化学装置9A、9B、9C、9D、9Eとが、交互に積層されている。各セパレータ層8A−8Fには、それぞれ図2に示すような平面形状の中空部が形成されており、これによって第一のガス通路3および第二のガス通路4が形成されている。
【0031】
各電気化学装置9A−9Eは、図1を参照しつつ説明した装置と同様である。ただし、15A、15Bは電気化学セルであり、16A、16Bは第一の電極であり、17A、17Bは第二の電極である。なお、図2においては、固体電解質層上の各電極は図示していない。
【0032】
本例では、装置30内において、第一のガス通路3と第二のガス通路4とが交互に設けられている。
【0033】
周壁部スルーホール導電体2Aは、末端層1A、セパレータ層8A、固体電解質層9Aを貫通している。導電体2Bは、固体電解質層9Aおよびセパレータ層8Bを貫通している。導電体2Cは、セパレータ層8Cおよび固体電解質層9Cを貫通している。導電体2Dは、固体電解質層9Cおよびセパレータ層8Dを貫通している。導電体2Eは、セパレータ層8Eおよび固体電解質層9Eを貫通している。導電体2Fは、固体電解質層9E、セパレータ層8Fおよび末端層1Bを貫通している。なお、本例では、導電体内の電気抵抗を削減するために、図2に示すように、各層において各導電体を2箇所ずつ設けてある。しかし、各導電体の個数や形状は限定されない。
【0034】
電気化学装置5Aの末端のセル15Aの電極17Bは周壁部スルーホール導電体2Aに接続されている。また、電気化学装置5Aの他端のセル15Aの電極16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導電体2Bに接続されている。同様に、電気化学装置5Bの末端のセル15Bの電極17Bはスルーホール導電体2Bに接続されており、他端のセル15Bの電極16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導電体2Cに接続されている。同様に、電気化学装置5Cの末端のセル15Aの電極17Bはスルーホール導電体2Cに接続されており、他端のセル15Aの電極16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導電体2Dに接続されている。同様に、電気化学装置5Dの末端のセル15Bの電極17Bはスルーホール導電体2Dに接続されており、他端のセル15Bの電極16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導電体2Eに接続されている。同様に、電気化学装置5Eの末端のセル15Aの電極17Bはスルーホール導電体2Eに接続されており、他端のセル15Aの電極16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導電体2Fに接続されている。導電体2A、2Fは、図示しない外部の端子に接続されている。
【0035】
図3においては、第一のガス通路、第二のガス通路への各ガス供給ルート、あるいは各通路からのガスの排出ルートについては、図示していない。こうしたガス供給ルート、排出ルートについては、通常法を利用できる。例えば、図2の分解斜視図および図4の断面図に示すように、第一のガス供給路10Aから第一のガス通路3へとガスを供給し、次いで別のガス供給路10Bを通して、より下側のガス通路3へとガスを流すことができる。更に、ガス供給路10C、通路3および排出路10Dを通してガスを流し、装置外へと排出させる。
【0036】
同様に、第二のガス供給路11A、第二のガス通路4、ガス供給路11B、通路4、ガス供給路11C、通路4、ガス排出路11Dの順にガスを流す。
【0037】
こうした実施形態による作用効果について述べる。
【0038】
各電極には酸化性ガスや還元性ガスに対する耐蝕性が必要であるので、ニッケル−ジルコニアサーメットやランタンマンガナイトなど、使用可能な材質が限られている。これに対して、周壁部スルーホール導電体2A−2Fには、こうした耐蝕性は不要であるので、導電性が高く、セラミックスの作動温度で溶融や変形を起こさない高融点金属が好ましい。ところが、こうした材質の相違のために、スルーホール導電体と各電極の表面との間では、接触絶縁抵抗が大きくなる。
【0039】
これに加えて、こうした構造体の温度が上昇すると、各電極は固体電解質層の変形に追従して変形する。一方、周壁部スルーホール導電体は、主としてセパレータ層を構成するセラミックスの変形に追従して変形する。このため、両者の変形量の相違によって、周壁部スルーホール導電体と各電極との間には、矢印A方向(図3参照)に向かって応力が残留した状態となる。このため、界面において接触状態が不均質な状態となりやすい。
【0040】
例えば特開平1−128359号公報に記載の固体電解質型燃料電池においては、こうした構造体内で、各電気化学セルが並列接続されている。これは、電気化学装置からの取り出し電圧が高々0.7−1.0ボルト程度であり、このため電流値が大きいことを意味している。取り出し電圧は一定であるので、この電流量は、電気化学セルの個数に比例して増大する。一方、この界面全体は、前述した理由から界面抵抗が大きくなっており、かつ界面のごく一部は導電体と電極表面とが強く接触した状態になっているものと推定できる。こうした状態で、大電流が周壁部スルーホール導電体と電極表面との界面を流れると、界面の一部に電流が集中し、局所的な発熱を生じ、界面付近の組織を変質させるものと考えられる。
【0041】
本実施形態においては、このような周壁部内部の電気化学セルを直列に接続することで、取り出し電圧を大きくし、かつスルーホール導電体と電極表面との界面を流れる電流量を削減することで、界面における局所的な電流集中を小さくし、局所的な顕著な発熱が生じないようにした。
【0042】
また、図2−図4の実施例においては、電気化学セルを構成する固体電解質層と周壁部とを同種のセラミック固体電解質材料によって形成し、一体化させることによって、同種の固体電解質材料からなる一体の構造体を生成させている。
【0043】
このような構造体に熱サイクルが加わると、固体電解質層上の各電極は、固体電解質層の熱膨張、収縮に追従して変形する。これと同時に、周壁部スルーホール導電体は、周壁部の熱膨張、収縮に追従して変形する。この際、周壁部と各固体電解質層とを前記したように一体の同種材料からなる骨格として形成することで、固体電解質層上の各電極と周壁部スルーホール導電体の端面との位置ズレがほとんどなくなる。特に、矢印A(図3参照)で示すような、電極の面内方向における位置ずれを消去できる。
【0044】
好適な実施形態においては、セパレータ層のセラミックス組織と固体電解質層のセラミックス組織とが微視的に見て連続している。
【0045】
また、好適な実施形態においては、第一の電極および第二の電極がそれぞれ周壁部内にまで延びており、スルーホール導電体の端面に対して直接に接触している。図3、図4においては、こうした形態を図示した。これによって、装置内部における電気抵抗を更に減少させ得る。
【0046】
また、好ましくは、周壁部が、第一のガス通路および第二のガス通路を気密に包囲する複数のセパレータ層を備えており、固体電解質層が周壁部内まで延び、固体電解質層の端部が、隣り合うセパレータ層の間に挟まれている。
【0047】
また、好適な実施形態においては、第一のガス通路3のうち少なくとも一つが、隣合う一組のセル15A、15Bによって挟まれており、これらのセルの各第一の電極が第一のガス通路3を挟んで対向している。また、第二のガス通路4のうち少なくとも一つが、隣合う一組のセル15A、15Bによって挟まれており、これらのセルの各第二の電極が第二のガス通路を挟んで対向している。こうした設計を採用することで、第一のガス通路と第二のガス通路とが、セルを挟んで交互に位置するようになり、無駄な空間が発生しない。このため、単位体積当たりの効率が高くなる。
【0048】
周壁部は、絶縁性セラミックスや固体電解質材料によって形成することができる。これらは、電気化学セルの作動温度において、第一のガス通路および第二のガス通路に対して耐蝕性を有する材質であれば、特に制限されない。こうした絶縁性セラミックスとしては、アルミナ、ムライト、マグネシアスピネル、カルシアまたはマグネシア安定化ジルコニアがある。また固体電解質型材料としては、イットリア安定化ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア、酸化セリウム系セラミックスの他、ランタンガレート、スカンジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニアを例示できる。
【0049】
なお、周壁部を構成するセラミック固体電解質材料と固体電解質層を構成する材料とが同種であるとは、その基本成分が同じであることを意味している。複数の基本成分がある場合には、複数の基本成分が同じであれば、各基本成分の構成比率が異なっていたとしても、やはり同種のセラミックスであると言える。また、少量のドープ成分については異動があっても差し支えない。基本組成が同じであれば、一体焼結後には、周壁部と固体電解質層とのセラミックス組織が連続し、継ぎ目は消失するからである。
【0050】
周壁部を構成するセラミックスと、固体電解質層を構成するセラミックスとの間で、ドープ成分が異なっている場合には、異なっているドープ成分の重量比率は全体の10重量%以下であることが好ましい。
【0051】
本発明の集合電気化学装置の製造方法は限定されないが、生産性の観点からは、グリーンシート積層法によって製造することが特に好ましい。この際には、図1、図2に示すような各層を、ドクターブレード法、プレス法、押し出し法等によって成形して各グリーンシートを作製し、これを積層し、焼結させる。
【0052】
成形の際に使用できる有機バインダーとしては、ポリメチルアクリレート、ニトロセルロース、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、スターチ、ワックス、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマーを例示できる。造孔材としては、セルロース、カーボン、アクリルパウダー等を例示できる。
【0053】
好適な実施形態においては、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部との間に、固体電解質層とは別体の絶縁体を介在させる。この実施形態について、以下に述べる。
【0054】
図5は、図1の電気化学装置における、隣接する電気化学セルの間の接続部分を拡大して示す断面図である。一方のセルの第一の電極16Cの端部31と、他方のセルの第二の電極17Dの端部32とが、固体電解質層9を挟んで対向している。第一の電極16Cと16Dとの間には隙間23が設けられており、第二の電極17Cと17Dとの間には隙間24が設けられている。端部31と32とはスルーホール導電体22によって接続されている。
【0055】
同一のセルに属する電極16Cと17C、16Dと17Dとの間で酸素イオンO2 - が移動すると、それに見合って電子e- がスルーホール導電体22を移動する。しかし、隣接する相異なるセルに属する電極16Cと17D、あるいは16Dと17Cとの間でも、酸素イオンO2 - が移動する場合がある。特に、スルーホール導電体22の周囲では、端部31と32との間で酸素イオンが矢印Cのように移動する。また、電極17Cの端部と電極16Dとの間でも、矢印Eのように酸素イオンが移動する。
【0056】
これらの酸素イオンの移動が生ずると、スルーホール導電体22の周りに閉回路が生成し、隣接する各セルにおいて生成した起電力の一部を消費するので、いずれも電流損失の原因となる。また、閉回路を流れる電流のため、燃料、酸化剤が消費され、燃料利用率の低下を招く。
【0057】
本実施形態においては、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部との間に、固体電解質層とは別体の絶縁体を介在させる。これによって、矢印Cのような端部間での酸素イオンの移動が少なくとも抑制、防止され、電流損失を低減できる。
【0058】
絶縁体の位置は、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部との間であれば限定されない。例えば、固体電解質層9の一方の面9c上であってよく、他方の面9d上であってよく、貫通孔9aの内壁面上(つまりスルーホール導電体22の側周面22a上)であってよく、更には固体電解質層9の内部に埋設されていてもよい。
【0059】
固体電解質層とは別体の絶縁体は、酸素イオン透過能は有していないことが必要であるが、その絶縁性能は設計事項である。しかし、例えば絶縁体の体積抵抗率が1000Ω・cm以上であることが好ましい。
【0060】
絶縁体の材質としては、例えばアルミナ、シリカ、ムライト、マグネシア、アルミナ−マグネシアスピネルを例示できる。
【0061】
絶縁層の厚さは特に制限はないが、10−50μmが好ましい。
【0062】
好適な実施形態においては、絶縁体が、第一の電極の端部と固体電解質層との間に設けられている絶縁層であり、また、絶縁体が、第二の電極の端部と固体電解質層との間に設けられている絶縁層である。これによって、最も効率的に端部間を絶縁可能である。
【0063】
好適な実施形態においては、隣接する一対の電気化学セルの間で第一の電極間に隙間が設けられており、この隙間に絶縁層が露出している。また、隣接する一対の電気化学セルの間で第二の電極間に隙間が設けられており、この隙間に絶縁層が露出している。
【0064】
図6−図9は、この実施形態に係る電気化学装置を示すものである。図6(a)は電気化学装置35Aを示す断面図であり、図6(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体および絶縁層が形成された状態を示す平面図であり、図6(c)は装置35Aの平面図である。
【0065】
装置35Aには、複数個、例えば4個の電気化学セル15が設けられており、各セル15は互いに直列接続されている。固体電解質層9は、本例では平面的に見て長方形の平板形状をしている。固体電解質層9の一方の面9c上には第一の電極16が例えば4個形成されており、他方の面9d上には第二の電極17が例えば4個形成されている。Bは、電気化学セルの主要な作用領域である。
【0066】
隣接する第一の電極16の間には細長い隙間23が形成されており、隣接する第二の電極17の間には細長い隙間24が形成されている。各電極16の端部31は、隣接するセルの電極17の端部32に対して、固体電解質層9を挟んで対向している。固体電解質層9内には、前記した端部の対向領域においてスルーホール導電体22が設けられている。各スルーホール導電体22によって、隣接する電気化学セル15の電極16と17とが直列に接続されている。
【0067】
スルーホール導電体22の周囲において、固体電解質層9の一方の面9c上に、絶縁層25A、25Bが設けられており、固体電解質層9の他方の面9d上に、絶縁層25C、25Dが設けられている。これによって、各電極の端部と固体電解質層の表面との間には絶縁層がそれぞれ介在し、絶縁することになる。隙間23には絶縁層25Bが露出し、隙間24には絶縁層25Dが露出する。
【0068】
好適な実施形態においては、スルーホール導電体と固体電解質層との間に絶縁体を設けるか、あるいは、スルーホール導電体の内部に絶縁体を設ける。
【0069】
図5において、スルーホール導電体22自体も、電極16C、16Dに対して、あるいは電極17C、17Dに対して、一種の電極として作用し、電力を消費することがある。このため、スルーホール導電体22と固体電解質層9との間に絶縁体を設けることによって、スルーホール導電体が電極として作用しないようにし、これによる電力の消費を防止できる。
【0070】
図7−図9は、この実施形態に係るものである。図7(a)−(c)の電気化学装置35Bは、図6の装置35Aと同様のものであるが、スルーホール導電体22の側周面に絶縁層25Eが形成されており、これによってスルーホール導電体22と貫通孔9aの内壁面とが絶縁されている。
【0071】
好適な実施形態においては、絶縁層が、複数の電気化学セルが配列されている配列方向と垂直な方向において、第一の電極または第二の電極によって被覆されていない延在部を備えている。図8、図9は、この実施形態に係るものである。
【0072】
図8(a)−(c)の電気化学装置35Cは、図7の装置35Bとほぼ同様のものである。ただし、各スルーホール導電体22Aの平面形状は、円形ではなく長方形である。また、特に図8(c)に示すように、絶縁層は、複数の電気化学セルが配列されている配列方向Zと垂直な方向Yにおいて、電極16によって被覆されていない延在部25Fを備えている。
【0073】
この実施形態においては、たとえ絶縁層と電極との相対的位置が製造上の誤差からズレたものとしても、確実に電極の端部を絶縁できるという利点がある。即ち、図6、図7に示したような形態では、Y方向に見て、電極16の縁と絶縁層25A、25Bとの縁とがほぼ同一線上にある。このため、製造上の誤差によって、絶縁層25A、25Bの位置と電極16の位置とが位置ずれを起こすと、電極16の縁と絶縁層25A、25Bとの縁とが、Y方向に見てずれてしまう。この結果、電極16の端部31の一部分は、絶縁層によって絶縁されることなく、固体電解質層9の一方の面9cに対して直接に接触することになる。この結果、前述した閉回路を生じさせる。
【0074】
これに対して、延在部25Fを設けることによって、前述のように、電極と絶縁層との平面的位置に位置ずれが生じたものとしても、そうした位置ずれは延在部によって吸収され、電極の端部の絶縁は確保される。
【0075】
図9(a)−(c)の電気化学装置35Dは、図8の装置35Cとほぼ同様のものである。ただし、特に図9(b)に示すように、延在部25Fの他に、各セルの作用領域B内の矢印Y方向の縁面に沿って延びる延在部25Gが形成されている。
【0076】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数の電気化学セルを電気的に接続してなる構造の電気化学装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減らすことができるようにし、かつ、隣接する電気化学セルの接続部分の材質の劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の一実施形態に係る電気化学装置5を示す断面図であり、(b)は装置5の平面図である。
【図2】電気化学装置5の一部を分解して示す斜視図である。
【図3】図2におけるIII−III線断面図である。
【図4】図2におけるIV−IV線断面図である。
【図5】図1の装置5において、隣接するセル間の接続部分を拡大して示す断面図である。
【図6】(a)は、電気化学装置35Aの断面図であり、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体22および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、(c)は、装置35Aの平面図である。
【図7】(a)は、電気化学装置35Bの断面図であり、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体22および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、(c)は、装置35Bの平面図である。
【図8】(a)は、電気化学装置35Cの断面図であり、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体22および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、(c)は、装置35Cの平面図である。
【図9】(a)は、電気化学装置35Dの断面図であり、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体22および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、(c)は、装置35Dの平面図である。
【符号の説明】
1A、1B 末端層 2A、2B、2C、2D、2E、2F 周壁部スルーホール導電体 3 第一のガス通路 4 第二のガス通路 5、5A、5B、5C、5D、5E、15 電気化学セル 17、17A、17B 第二の電極 8A、8B、8C、8D、8E、8F セパレータ層 9A、9B、9C、9D、9E 固体電解質層 9a 貫通孔 9c 一方の面 9d 他方の面 10A、10B、10C、10D 第一のガス供給路 11A、11B、11C、11D 第二のガス供給路 12 周壁部 13 機能部 16、16A、16B 第一の電極 22、22A スルーホール導電体23 隣接するセルの第一の電極間の隙間 24 隣接するセルの第二の電極の間の隙間 X 固体電解質層9に垂直な方向 Y 複数のセルの配列方向に垂直な方向 Z 複数のセルの配列方向
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an integrated electrochemical device including a plurality of electrochemical cells.
[0002]
[Prior art]
“Fuel cell power generation” (Electrical Society, edited by Fuel Cell Drivability Research Committee) Corona, page 77, describes forming a plurality of solid oxide fuel cell cells on a porous substrate. Has been. That is, each unit cell is formed by sequentially forming a fine air electrode, a solid electrolyte membrane, and a fuel electrode on the surface of the porous substrate. At this time, a large number of single cells are formed on the porous substrate. Then, an interconnector film is formed between the fuel electrode and the air electrode of adjacent unit cells, and the adjacent unit cells are electrically connected in series. Then, the oxidizing gas permeates through the porous substrate and diffuses in the air electrode in contact with the porous substrate. On the other hand, the fuel gas permeates the fuel electrode and contributes to power generation.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Such an assembled battery is capable of accumulating a large number of power generation elements in a small volume and improving the amount of power generation per unit space, and thus has been recognized as an excellent design concept.
[0004]
However, when the inventor further studied, there were actually the following difficult problems. That is, for example, the oxidizing gas needs to pass through the porous substrate once and then diffuse in the air electrode in contact with the porous substrate. However, the porous substrate is a portion that retains the overall structural strength of the assembled battery, and for this purpose, a certain degree of thickness and density are required. However, when the porous substrate becomes thicker or the porosity is lowered, the oxidizing gas is less likely to permeate through the porous substrate. For this reason, it is difficult to diffuse into the air electrode in contact with the porous substrate. Becomes lower.
[0005]
Adjacent electrochemical cells need to be connected by an interconnector film formed on the porous substrate. Accordingly, the interconnector is exposed to the fuel gas and inevitably exposed to the oxidizing gas that diffuses through the porous substrate. The temperature at the time of this exposure is 1000 degreeC, for example. For this reason, the material of the interconnector must have three conditions: high conductivity, stability to oxidizing gas at high temperature, and stability to fuel gas at high temperature. unknown. As a result, the resistance associated with the connection between the adjacent cells increases, or the connection resistance between the cells increases due to the deterioration of the material of the interconnector when operated for a long time.
[0006]
An object of the present invention is to reduce the diffusion resistance of each gas up to each electrode of each electrochemical cell in an electrochemical device having a structure in which a plurality of electrochemical cells are electrically connected, And it is enabling it to suppress deterioration of the material of the connection part of an adjacent electrochemical cell.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a solid electrolyte layer, a plurality of first electrodes provided on the solid electrolyte layer, and a plurality of second electrodes provided on the solid electrolyte layer. A plurality of electrochemical cells, each having at least one through-hole conductor penetrating through the solid electrolyte layer, and at least two adjacent electrochemical cells. Are electrically connected through a through-hole conductor.
[0008]
The present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate.
[0009]
1A is a cross-sectional view showing an electrochemical device 5 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view of the device 5 of FIG. 1A viewed from the first electrode 16 side. FIG.
[0010]
The apparatus 5 of FIG. 1 is provided with a plurality of, for example, four electrochemical cells 15, and each cell 15 is connected in series. In other words, the solid electrolyte layer 9 has a rectangular flat plate shape in plan view in this example. For example, four first electrodes 16 are formed on one surface 9c of the solid electrolyte layer 9, and for example, four second electrodes 17 are formed on the other surface 9d. Each first electrode 16 constitutes a corresponding second electrode 17 and electrochemical cell 15. B is a main working area of the electrochemical device 5.
[0011]
An elongated gap 23 is formed between adjacent first electrodes 16 to insulate the electrodes 16 of adjacent cells. An elongated gap 24 is formed between the adjacent second electrodes 17 to insulate the electrodes 17 of the adjacent cells. The end portion of each electrode 16 is opposed to the end portion of the electrode 17 of the adjacent cell with the solid electrolyte layer 9 interposed therebetween. A through-hole conductor 22 is provided in the solid electrolyte layer 9 in the region opposite to the end portion described above. Each through-hole conductor 22 connects the electrodes 16 and 17 of the adjacent electrochemical cell 15 in series.
[0012]
According to such an electrochemical apparatus, in an apparatus in which a plurality of electrochemical cells are provided on a single substrate, the diffusion resistance of each gas to each electrode of each electrochemical cell can be reduced. This is because the solid electrolyte layer itself is used as a substrate for supporting the whole, and a separate porous substrate is not required. Further, the side peripheral surface of the through-hole conductor 22 is covered with the solid electrolyte layer 9 and thus is not exposed to the oxidizing gas or the fuel gas, so that the material of the through-hole conductor is hardly deteriorated. Of course, only the upper end surface and the lower end surface of the through-hole conductor 22 in FIG. 1 are in contact with the external gas diffused through the electrodes 16 and 17. However, since this is a gas that has diffused and permeated through the electrodes, the concentration of oxygen and fuel in the gas is low and the absolute amount of gas is small, so the degree of deterioration of the through-hole conductor is small.
[0013]
In the example of FIG. 1, adjacent cells 15 are connected in series. In this way, by connecting a plurality of electrochemical cells in series in one solid electrolyte layer, for example, the extraction voltage can be increased, and the current value can be reduced accordingly. As the current value decreases, the current loss inside the device can be reduced accordingly.
[0014]
In a particularly preferred embodiment, adjacent cells are connected in series in the solid electrolyte layer. However, it is possible to connect adjacent cells in parallel.
[0015]
In a preferred embodiment, a plurality of first electrodes are provided on one surface of the solid electrolyte layer, and a plurality of second electrodes are provided on the other surface of the solid electrolyte layer.
[0016]
Further, in a preferred embodiment, the end of the first electrode of one electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell form a solid electrolyte layer. The end portions of the first electrode and the end portions of the second electrode are electrically connected by a through-hole conductor. Here, the fact that the end portion of the first electrode and the end portion of the second electrode are provided at positions facing each other across the solid electrolyte layer means that the direction X (FIG. 1) is perpendicular to the solid electrolyte layer. This means that they are in overlapping positions as seen from (a). In this case, the end portion of the first electrode and the end portion of the second electrode can be easily connected by providing a through-hole conductor in the overlapping region.
[0017]
The electrochemical device of the present invention can be used as an oxygen pump or a high temperature steam electrolysis cell in addition to a solid oxide fuel cell. This cell can be used in a hydrogen production apparatus and a water vapor removal apparatus. Furthermore, the apparatus of the present invention can be used as NOx, hydrocarbon, and carbon monoxide decomposition cells.
[0018]
The first gas and the second gas may be the same or different. The types include oxidizing gas, reducing gas, inert gas, and the like, and there are preferable embodiments depending on the application.
[0019]
In the case of a fuel cell, the first gas is an oxidizing gas and the second gas is a reducing gas. Examples of the oxidizing gas include air and oxygen. Moreover, as reducing gas, the gas containing hydrogen, methane, carbon monoxide, etc. can be illustrated. In the fuel cell, the first electrode has a high potential and is an anode, and the second electrode has a low potential and is a cathode. In this case, the first electrode functions as a cathode and the second electrode functions as an anode.
[0020]
Further, in the case of an oxygen pump, the first and second gases may be oxidizing or reducing gas. For example, the first gas is air or oxygen, the second gas is a process gas on the side where oxygen is injected, and examples thereof include an inert gas. In this case, the first electrode acts as a cathode at the cathode, and the second electrode acts as an anode as the anode.
[0021]
In the case of a NOx decomposition device or a water vapor removal device, the first gas is an inert gas or air. The second gas is a process gas containing NOx and water vapor, and is an inert gas, hydrogen, or methane in addition to exhaust gas from various internal combustion engines. In this case, the first electrode acts as a cathode at the cathode, and the second electrode acts as an anode as the anode.
[0022]
Examples of the material of the solid electrolyte layer include lanthanum gallate, scandia stabilized zirconia, and ytterbia stabilized zirconia in addition to yttria stabilized zirconia, yttria partially stabilized zirconia, and cerium oxide ceramics.
[0023]
The main raw material of the anode is preferably a perovskite complex oxide containing lanthanum, more preferably lanthanum manganite or lanthanum cobaltite, and even more preferably lanthanum manganite. Lanthanum manganite may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum or the like.
[0024]
The main cathode materials are nickel, nickel oxide, nickel-zirconia mixed powder, nickel oxide-zirconia mixed powder, palladium, platinum, palladium-zirconia mixed powder, platinum-zirconia mixed powder, nickel-ceria, nickel oxide-ceria, palladium -Ceria, platinum-ceria mixed powder, etc. are preferable.
[0025]
The material of the through-hole conductor is iron, cobalt, nickel, copper, aluminum, silicon, gold, silver, platinum, palladium, ruthenium, molybdenum, tungsten and other metals, lanthanum chromite, lanthanum cobaltite, lanthanum manganite, etc. The above-mentioned ceramics, composite materials of the above-described metals and ceramics, and composite materials of the above-mentioned conductive ceramics and ceramics are preferable.
[0026]
The present invention also provides an integrated electrochemical device constructed by laminating a plurality of the aforementioned electrochemical devices.
[0027]
In a preferred embodiment, an integrated electrochemical device comprises a plurality of the aforementioned electrochemical devices. And it is provided with the surrounding wall part which consists of ceramics, and the through-hole conductor in the surrounding wall part embed | buried in the surrounding wall part, the 1st gas passage and the 2nd gas passage are formed inside the surrounding wall part, The solid electrolyte layer is provided inside the peripheral wall portion, the first electrode faces the first gas passage, and the second electrode faces the second gas passage.
[0028]
2 to 4 relate to this embodiment. 2 is an exploded perspective view showing each layer of the integrated electrochemical device 30, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. .
[0029]
In the examples of FIGS. 3 and 4, for example, five rows of electrochemical devices 5A-5E are stacked and incorporated in an integrated electrochemical device. In FIG. 2, each part from the upper end of the apparatus to the solid electrolyte layer 9D is shown as an exploded perspective view due to space limitations.
[0030]
The device 30 includes a functional unit 13 including a plurality of electrochemical devices 9A-9E and a peripheral wall 12 surrounding the functional unit 13. The entire apparatus 30 is produced by, for example, a green sheet lamination method. That is, separator layers 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, and 8F and electrochemical devices 9A, 9B, 9C, 9D, and 9E are alternately stacked between the end layer 1A and the end layer 1B. . Each separator layer 8A-8F is formed with a planar hollow portion as shown in FIG. 2, thereby forming a first gas passage 3 and a second gas passage 4.
[0031]
Each electrochemical device 9A-9E is the same as the device described with reference to FIG. However, 15A and 15B are electrochemical cells, 16A and 16B are first electrodes, and 17A and 17B are second electrodes. In FIG. 2, each electrode on the solid electrolyte layer is not shown.
[0032]
In this example, the first gas passage 3 and the second gas passage 4 are alternately provided in the device 30.
[0033]
The peripheral wall portion through-hole conductor 2A passes through the end layer 1A, the separator layer 8A, and the solid electrolyte layer 9A. The conductor 2B penetrates the solid electrolyte layer 9A and the separator layer 8B. The conductor 2C penetrates the separator layer 8C and the solid electrolyte layer 9C. The conductor 2D penetrates the solid electrolyte layer 9C and the separator layer 8D. The conductor 2E penetrates the separator layer 8E and the solid electrolyte layer 9E. The conductor 2F passes through the solid electrolyte layer 9E, the separator layer 8F, and the end layer 1B. In this example, in order to reduce the electrical resistance in the conductor, two conductors are provided in each layer as shown in FIG. However, the number and shape of each conductor are not limited.
[0034]
The electrode 17B of the cell 15A at the end of the electrochemical device 5A is connected to the peripheral wall through-hole conductor 2A. Further, the electrode 16B of the cell 15A at the other end of the electrochemical device 5A extends into the peripheral wall portion 12, and is connected to the through-hole conductor 2B. Similarly, the electrode 17B of the cell 15B at the end of the electrochemical device 5B is connected to the through-hole conductor 2B, and the electrode 16B of the cell 15B at the other end extends into the peripheral wall portion 12 so that the through-hole conduction is achieved. It is connected to the body 2C. Similarly, the electrode 17B of the cell 15A at the end of the electrochemical device 5C is connected to the through-hole conductor 2C, and the electrode 16B of the cell 15A at the other end extends to the inside of the peripheral wall portion 12 so as to conduct through-holes. It is connected to the body 2D. Similarly, the electrode 17B of the cell 15B at the end of the electrochemical device 5D is connected to the through-hole conductor 2D, and the electrode 16B of the cell 15B at the other end extends to the inside of the peripheral wall portion 12 so as to conduct through-holes. It is connected to the body 2E. Similarly, the electrode 17B of the cell 15A at the end of the electrochemical device 5E is connected to the through-hole conductor 2E, and the electrode 16B of the cell 15A at the other end extends to the inside of the peripheral wall portion 12 so as to conduct through-holes. It is connected to the body 2F. The conductors 2A and 2F are connected to external terminals (not shown).
[0035]
In FIG. 3, the gas supply routes to the first gas passage, the second gas passage, or the gas discharge routes from the passages are not shown. The normal method can be used for such gas supply route and discharge route. For example, as shown in the exploded perspective view of FIG. 2 and the cross-sectional view of FIG. 4, gas is supplied from the first gas supply passage 10A to the first gas passage 3, and then through another gas supply passage 10B. Gas can flow into the lower gas passage 3. Further, the gas is caused to flow through the gas supply path 10C, the passage 3 and the discharge path 10D to be discharged out of the apparatus.
[0036]
Similarly, gas flows in the order of the second gas supply path 11A, the second gas passage 4, the gas supply path 11B, the passage 4, the gas supply path 11C, the passage 4, and the gas discharge path 11D.
[0037]
The effect by such embodiment is described.
[0038]
Since each electrode needs to have corrosion resistance against oxidizing gas and reducing gas, usable materials such as nickel-zirconia cermet and lanthanum manganite are limited. On the other hand, the peripheral wall through-hole conductor 2A-2F does not require such corrosion resistance, and therefore, a high melting point metal that has high conductivity and does not cause melting or deformation at the operating temperature of the ceramic is preferable. However, due to such a difference in material, the contact insulation resistance increases between the through-hole conductor and the surface of each electrode.
[0039]
In addition, when the temperature of such a structure increases, each electrode deforms following the deformation of the solid electrolyte layer. On the other hand, the peripheral wall portion through-hole conductor mainly deforms following the deformation of the ceramics constituting the separator layer. For this reason, due to the difference in deformation amount between the two, stress remains in the direction of arrow A (see FIG. 3) between the peripheral wall portion through-hole conductor and each electrode. For this reason, the contact state tends to be inhomogeneous at the interface.
[0040]
For example, in a solid oxide fuel cell described in JP-A-1-128359, each electrochemical cell is connected in parallel in such a structure. This means that the voltage taken out from the electrochemical device is at most about 0.7 to 1.0 volts, and thus the current value is large. Since the extraction voltage is constant, this amount of current increases in proportion to the number of electrochemical cells. On the other hand, it can be presumed that the entire interface has a high interface resistance for the reasons described above, and a very small part of the interface is in a state where the conductor and the electrode surface are in strong contact. In such a state, if a large current flows through the interface between the peripheral wall through-hole conductor and the electrode surface, the current concentrates on a part of the interface, generating local heat generation and altering the structure near the interface. It is done.
[0041]
In the present embodiment, by connecting the electrochemical cells inside the peripheral wall portion in series, the extraction voltage is increased and the amount of current flowing through the interface between the through-hole conductor and the electrode surface is reduced. The local current concentration at the interface was reduced so that no significant local heat generation occurred.
[0042]
2 to 4, the solid electrolyte layer and the peripheral wall portion constituting the electrochemical cell are formed of the same kind of ceramic solid electrolyte material and integrated to form the same kind of solid electrolyte material. An integral structure is generated.
[0043]
When a thermal cycle is applied to such a structure, each electrode on the solid electrolyte layer deforms following the thermal expansion and contraction of the solid electrolyte layer. At the same time, the peripheral wall portion through-hole conductor is deformed following the thermal expansion and contraction of the peripheral wall portion. At this time, by forming the peripheral wall portion and each solid electrolyte layer as a skeleton made of the same kind of material as described above, the positional deviation between each electrode on the solid electrolyte layer and the end face of the peripheral wall portion through-hole conductor is reduced. Almost disappear. In particular, the positional deviation in the in-plane direction of the electrode as shown by the arrow A (see FIG. 3) can be eliminated.
[0044]
In a preferred embodiment, the ceramic structure of the separator layer and the ceramic structure of the solid electrolyte layer are continuous as viewed microscopically.
[0045]
In a preferred embodiment, each of the first electrode and the second electrode extends into the peripheral wall portion, and is in direct contact with the end face of the through-hole conductor. FIG. 3 and FIG. 4 show such a form. This can further reduce the electrical resistance inside the device.
[0046]
Preferably, the peripheral wall portion includes a plurality of separator layers that hermetically surround the first gas passage and the second gas passage, the solid electrolyte layer extends into the peripheral wall portion, and an end portion of the solid electrolyte layer is , Sandwiched between adjacent separator layers.
[0047]
In a preferred embodiment, at least one of the first gas passages 3 is sandwiched between a pair of adjacent cells 15A and 15B, and each first electrode of these cells is a first gas. Opposite across the passage 3. In addition, at least one of the second gas passages 4 is sandwiched between a pair of adjacent cells 15A and 15B, and the second electrodes of these cells face each other across the second gas passage. Yes. By adopting such a design, the first gas passage and the second gas passage are alternately positioned with the cell interposed therebetween, and no useless space is generated. For this reason, the efficiency per unit volume becomes high.
[0048]
The peripheral wall portion can be formed of an insulating ceramic or a solid electrolyte material. These are not particularly limited as long as the materials have corrosion resistance to the first gas passage and the second gas passage at the operating temperature of the electrochemical cell. Such insulating ceramics include alumina, mullite, magnesia spinel, calcia or magnesia stabilized zirconia. In addition to yttria stabilized zirconia, yttria partially stabilized zirconia, cerium oxide ceramics, lanthanum gallate, scandia stabilized zirconia, and ytterbia stabilized zirconia can be exemplified as the solid electrolyte type material.
[0049]
Note that the same type of ceramic solid electrolyte material constituting the peripheral wall portion and the material constituting the solid electrolyte layer means that the basic components are the same. In the case where there are a plurality of basic components, if the plurality of basic components are the same, it can be said that they are the same kind of ceramics even if the constituent ratios of the basic components are different. Moreover, there is no problem even if a small amount of the dope component is changed. This is because if the basic composition is the same, the ceramic structure of the peripheral wall portion and the solid electrolyte layer is continuous after integral sintering, and the seam disappears.
[0050]
When the dope component is different between the ceramic constituting the peripheral wall portion and the ceramic constituting the solid electrolyte layer, the weight ratio of the different dope components is preferably 10% by weight or less of the whole. .
[0051]
Although the manufacturing method of the assembly electrochemical apparatus of this invention is not limited, From a viewpoint of productivity, manufacturing by the green sheet lamination method is especially preferable. At this time, each layer as shown in FIGS. 1 and 2 is formed by a doctor blade method, a press method, an extrusion method, or the like to produce each green sheet, which is laminated and sintered.
[0052]
Examples of the organic binder that can be used for molding include polymethyl acrylate, nitrocellulose, polyvinyl alcohol, methyl cellulose, ethyl cellulose, starch, wax, acrylic acid polymer, and methacrylic acid polymer. Examples of the pore former include cellulose, carbon, and acrylic powder.
[0053]
In a preferred embodiment, there is a solid electrolyte layer between the end of the first electrode of one electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. Interposes a separate insulator. This embodiment will be described below.
[0054]
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a connection portion between adjacent electrochemical cells in the electrochemical device of FIG. The end portion 31 of the first electrode 16C of one cell and the end portion 32 of the second electrode 17D of the other cell face each other with the solid electrolyte layer 9 interposed therebetween. A gap 23 is provided between the first electrodes 16C and 16D, and a gap 24 is provided between the second electrodes 17C and 17D. The end portions 31 and 32 are connected by a through-hole conductor 22.
[0055]
Oxygen ions O between the electrodes 16C and 17C and 16D and 17D belonging to the same cell2 - When the e moves, the electron e is commensurate with it.- Moves through-hole conductor 22. However, even between the electrodes 16C and 17D or 16D and 17C belonging to different cells adjacent to each other, oxygen ions O2 - May move. Particularly, oxygen ions move between the end portions 31 and 32 as shown by an arrow C around the through-hole conductor 22. Also, oxygen ions move between the end of the electrode 17C and the electrode 16D as indicated by an arrow E.
[0056]
When these oxygen ions move, a closed circuit is generated around the through-hole conductor 22 and consumes a part of the electromotive force generated in each adjacent cell, which causes current loss. In addition, the current flowing through the closed circuit consumes fuel and oxidant, leading to a reduction in fuel utilization.
[0057]
In the present embodiment, the solid electrolyte layer is between the end of the first electrode of an electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. A separate insulator is interposed. Thereby, the movement of oxygen ions between the end portions as indicated by the arrow C is at least suppressed and prevented, and current loss can be reduced.
[0058]
The position of the insulator is not limited as long as it is between the end of the first electrode of one electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. For example, it may be on one surface 9c of the solid electrolyte layer 9 or on the other surface 9d, on the inner wall surface of the through hole 9a (that is, on the side peripheral surface 22a of the through-hole conductor 22). Further, it may be embedded in the solid electrolyte layer 9.
[0059]
An insulator separate from the solid electrolyte layer needs to have no oxygen ion permeability, but its insulation performance is a matter of design. However, for example, the volume resistivity of the insulator is preferably 1000 Ω · cm or more.
[0060]
Examples of the insulator material include alumina, silica, mullite, magnesia, and alumina-magnesia spinel.
[0061]
Although the thickness of an insulating layer does not have a restriction | limiting in particular, 10-50 micrometers is preferable.
[0062]
In a preferred embodiment, the insulator is an insulating layer provided between the end of the first electrode and the solid electrolyte layer, and the insulator is solid with the end of the second electrode. It is an insulating layer provided between the electrolyte layers. Thus, the end portions can be insulated most efficiently.
[0063]
In a preferred embodiment, a gap is provided between the first electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulating layer is exposed in this gap. A gap is provided between the second electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulating layer is exposed in this gap.
[0064]
6 to 9 show an electrochemical apparatus according to this embodiment. 6A is a cross-sectional view showing an electrochemical device 35A, and FIG. 6B is a plan view showing a state in which a through-hole conductor and an insulating layer are formed on the solid electrolyte layer 9, and FIG. (C) is a plan view of the device 35A.
[0065]
The device 35A is provided with a plurality of, for example, four electrochemical cells 15, and each cell 15 is connected in series with each other. In this example, the solid electrolyte layer 9 has a rectangular flat plate shape when viewed in plan. For example, four first electrodes 16 are formed on one surface 9c of the solid electrolyte layer 9, and for example, four second electrodes 17 are formed on the other surface 9d. B is the main working area of the electrochemical cell.
[0066]
An elongated gap 23 is formed between the adjacent first electrodes 16, and an elongated gap 24 is formed between the adjacent second electrodes 17. The end portion 31 of each electrode 16 is opposed to the end portion 32 of the electrode 17 of the adjacent cell with the solid electrolyte layer 9 interposed therebetween. A through-hole conductor 22 is provided in the solid electrolyte layer 9 in the region opposite to the end portion described above. Each through-hole conductor 22 connects the electrodes 16 and 17 of the adjacent electrochemical cell 15 in series.
[0067]
Around the through-hole conductor 22, insulating layers 25A and 25B are provided on one surface 9c of the solid electrolyte layer 9, and insulating layers 25C and 25D are provided on the other surface 9d of the solid electrolyte layer 9. Is provided. Thus, an insulating layer is interposed between the end of each electrode and the surface of the solid electrolyte layer to insulate. The insulating layer 25B is exposed in the gap 23, and the insulating layer 25D is exposed in the gap 24.
[0068]
In a preferred embodiment, an insulator is provided between the through-hole conductor and the solid electrolyte layer, or an insulator is provided inside the through-hole conductor.
[0069]
In FIG. 5, the through-hole conductor 22 itself may act as a kind of electrode with respect to the electrodes 16C and 16D or with respect to the electrodes 17C and 17D, and may consume electric power. For this reason, providing an insulator between the through-hole conductor 22 and the solid electrolyte layer 9 prevents the through-hole conductor from acting as an electrode, thereby preventing power consumption.
[0070]
7 to 9 relate to this embodiment. The electrochemical device 35B of FIGS. 7A to 7C is the same as the device 35A of FIG. 6, but an insulating layer 25E is formed on the side peripheral surface of the through-hole conductor 22, thereby The through-hole conductor 22 and the inner wall surface of the through-hole 9a are insulated.
[0071]
In a preferred embodiment, the insulating layer includes an extension portion that is not covered by the first electrode or the second electrode in a direction perpendicular to the arrangement direction in which the plurality of electrochemical cells are arranged. . 8 and 9 relate to this embodiment.
[0072]
The electrochemical device 35C shown in FIGS. 8A to 8C is substantially the same as the device 35B shown in FIG. However, the planar shape of each through-hole conductor 22A is not a circle but a rectangle. In particular, as shown in FIG. 8C, the insulating layer includes an extending portion 25F that is not covered with the electrode 16 in the direction Y perpendicular to the arrangement direction Z in which the plurality of electrochemical cells are arranged. ing.
[0073]
In this embodiment, even if the relative position between the insulating layer and the electrode deviates from a manufacturing error, there is an advantage that the end of the electrode can be reliably insulated. That is, in the configuration shown in FIGS. 6 and 7, the edge of the electrode 16 and the edges of the insulating layers 25A and 25B are substantially on the same line as viewed in the Y direction. Therefore, if the position of the insulating layers 25A and 25B and the position of the electrode 16 are displaced due to manufacturing errors, the edge of the electrode 16 and the edge of the insulating layers 25A and 25B are viewed in the Y direction. It will shift. As a result, a portion of the end portion 31 of the electrode 16 is in direct contact with the one surface 9c of the solid electrolyte layer 9 without being insulated by the insulating layer. This results in the closed circuit described above.
[0074]
On the other hand, by providing the extending portion 25F, as described above, even if a positional shift occurs in the planar position between the electrode and the insulating layer, the positional shift is absorbed by the extending portion, and the electrode Insulation at the end of the is ensured.
[0075]
The electrochemical device 35D shown in FIGS. 9A to 9C is substantially the same as the device 35C shown in FIG. However, in particular, as shown in FIG. 9B, in addition to the extending portion 25F, an extending portion 25G extending along the edge surface in the arrow Y direction in the action region B of each cell is formed.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in an electrochemical device having a structure in which a plurality of electrochemical cells are electrically connected, the diffusion resistance of each gas to each electrode of each electrochemical cell is reduced. And the deterioration of the material of the connecting portion of the adjacent electrochemical cell can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
1A is a cross-sectional view showing an electrochemical device 5 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view of the device 5. FIG.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a part of the electrochemical device 5;
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a connection portion between adjacent cells in the device 5 of FIG. 1;
6A is a cross-sectional view of the electrochemical device 35A, and FIG. 6B is a plan view showing a state in which the through-hole conductor 22 and the insulating layer are formed on the solid electrolyte layer 9, and FIG. ) Is a plan view of the device 35A.
7A is a cross-sectional view of an electrochemical device 35B, and FIG. 7B is a plan view showing a state in which a through-hole conductor 22 and an insulating layer are formed on the solid electrolyte layer 9, and FIG. ) Is a plan view of the device 35B.
8A is a cross-sectional view of an electrochemical device 35C, and FIG. 8B is a plan view showing a state in which a through-hole conductor 22 and an insulating layer are formed on the solid electrolyte layer 9, and FIG. ) Is a plan view of the device 35C.
9A is a cross-sectional view of the electrochemical device 35D, and FIG. 9B is a plan view showing a state in which the through-hole conductor 22 and the insulating layer are formed on the solid electrolyte layer 9. FIG. ) Is a plan view of the device 35D.
[Explanation of symbols]
1A, 1B End layer 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F Peripheral wall through-hole conductor 3 First gas passage 4 Second gas passage 5, 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 15 Electrochemical cell 17, 17A, 17B Second electrode 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F Separator layer 9A, 9B, 9C, 9D, 9E Solid electrolyte layer 9a Through-hole 9c One side 9d The other side 10A, 10B, 10C 10D 1st gas supply path 11A, 11B, 11C, 11D 2nd gas supply path 12 Perimeter wall part 13 Function part 16, 16A, 16B 1st electrode 22, 22A Through-hole conductor 23 1st of adjacent cell 24. Gap between the second electrodes of adjacent cells X direction perpendicular to the solid electrolyte layer 9 Y direction perpendicular to the arrangement direction of the plurality of cells Z arrangement direction of the plurality of cells

Claims (14)

固体電解質層と、この固体電解質層上に設けられた複数の第一の電極と、前記固体電解質層上に設けられた複数の第二の電極とを備えており、前記第一の電極と前記第二の電極とによって複数の電気化学セルが構成されている電気化学装置であって、
前記固体電解質層を貫通する少なくとも一つのスルーホール導電体を備えており、前記固体電解質層において隣接する少なくとも二つの前記電気化学セルが前記スルーホール導電体を介して電気的に接続されていることを特徴とする、電気化学装置。
A solid electrolyte layer, a plurality of first electrodes provided on the solid electrolyte layer, and a plurality of second electrodes provided on the solid electrolyte layer, the first electrode and the An electrochemical device in which a plurality of electrochemical cells are constituted by a second electrode,
It has at least one through-hole conductor penetrating the solid electrolyte layer, and at least two of the electrochemical cells adjacent in the solid electrolyte layer are electrically connected via the through-hole conductor. An electrochemical device characterized by
前記固体電解質層の一方の面上に前記複数の第一の電極が設けられており、前記固体電解質層の他方の面上に前記複数の第二の電極が設けられていることを特徴とする、請求項1記載の装置。The plurality of first electrodes are provided on one surface of the solid electrolyte layer, and the plurality of second electrodes are provided on the other surface of the solid electrolyte layer. The apparatus of claim 1. ある電気化学セルの前記第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの前記第二の電極の端部とが、前記固体電解質層を挟んで対向する位置に設けられており、前記第一の電極の前記端部と前記第二の電極の前記端部とが、前記スルーホール導電体によって電気的に接続されていることを特徴とする、請求項1または2記載の装置。The end of the first electrode of an electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell are located at positions facing each other across the solid electrolyte layer. The first end of the first electrode and the end of the second electrode are electrically connected by the through-hole conductor. 2. The apparatus according to 2. ある電気化学セルの前記第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの前記第二の電極の端部との間に、前記固体電解質層とは別体の絶縁体が介在していることを特徴とする、請求項1−3のいずれか一つの請求項に記載の装置。The solid electrolyte layer is separated from the end of the first electrode of an electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. 4. The device according to claim 1, wherein an insulator is interposed. 前記絶縁体が、前記第一の電極の端部と前記固体電解質層との間に設けられている絶縁層であることを特徴とする、請求項4記載の装置。The apparatus according to claim 4, wherein the insulator is an insulating layer provided between an end of the first electrode and the solid electrolyte layer. 前記絶縁体が、前記第二の電極の端部と前記固体電解質層との間に設けられている絶縁層であることを特徴とする、請求項4または5記載の装置。The device according to claim 4, wherein the insulator is an insulating layer provided between an end of the second electrode and the solid electrolyte layer. 隣接する一対の前記電気化学セルの間で前記第一の電極間に隙間が設けられており、この隙間に前記絶縁体が露出していることを特徴とする、請求項4−6のいずれか一つの請求項に記載の装置。A gap is provided between the first electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulator is exposed in the gap. A device according to one claim. 隣接する一対の前記電気化学セルの間で前記第二の電極間に隙間が設けられており、この隙間に前記絶縁体が露出していることを特徴とする、請求項4−7のいずれか一つの請求項に記載の装置。A gap is provided between the second electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulator is exposed in the gap. A device according to one claim. 前記絶縁層が、前記複数の電気化学セルが配列されている配列方向と垂直な方向において、前記第一の電極または前記第二の電極によって被覆されていない延在部を備えていることを特徴とする、請求項5−8のいずれか一つの請求項に記載の装置。The insulating layer includes an extending portion that is not covered with the first electrode or the second electrode in a direction perpendicular to an arrangement direction in which the plurality of electrochemical cells are arranged. A device according to any one of claims 5-8. 前記スルーホール導電体と前記固体電解質層との間に絶縁体が設けられていることを特徴とする、請求項1−9のいずれか一つの請求項に記載の装置。The device according to claim 1, wherein an insulator is provided between the through-hole conductor and the solid electrolyte layer. 前記隣接する少なくとも二つの前記電気化学セルが前記スルーホール導電体を介して直列接続されていることを特徴とする、請求項1−10のいずれか一つの請求項に記載の装置。The apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the at least two adjacent electrochemical cells are connected in series via the through-hole conductor. 請求項2−11のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置を複数備えている集積電気化学装置であって、
セラミックスからなる周壁部および前記周壁部内に埋設されている周壁部内スルーホール導電体を備えており、前記周壁部の内側に第一のガス通路と第二のガス通路とが形成されており、前記複数の固体電解質層が前記周壁部の内側に設けられており、前記第一の電極が前記第一のガス通路に面しており、前記第二の電極が前記第二のガス通路に面していることを特徴とする、集積電気化学装置。
An integrated electrochemical device comprising a plurality of the electrochemical devices according to any one of claims 2-11,
Comprising a peripheral wall portion made of ceramics and a through-hole conductor in the peripheral wall portion embedded in the peripheral wall portion, and a first gas passage and a second gas passage are formed inside the peripheral wall portion, A plurality of solid electrolyte layers are provided inside the peripheral wall portion, the first electrode faces the first gas passage, and the second electrode faces the second gas passage. An integrated electrochemical device, characterized in that
隣接する一対の前記電気化学装置が前記周壁部内スルーホール導電体によって電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項12記載の装置。13. The apparatus according to claim 12, wherein a pair of adjacent electrochemical devices are electrically connected in series by the through-hole conductor in the peripheral wall portion. 前記周壁部と前記固体電解質層とが同種のセラミック固体電解質材料からなることを特徴とする、請求項12または13記載の装置。The device according to claim 12 or 13, wherein the peripheral wall portion and the solid electrolyte layer are made of the same kind of ceramic solid electrolyte material.
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