JP5198758B2 - Electrochemical reactor stack and electrochemical reactor system - Google Patents

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Description

本発明は、チューブ状の電気化学リアクターセルをスタック化するためのリアクターセル支持体を備えた電気化学リアクタースタックと、該電気化学リアクタースタックから構成される固体酸化物形燃料電池スタック等の電気化学リアクターシステムに関するものである。 The present invention, electrical and electrical chemical reactor stack with a reactor cell support, the solid oxide fuel cell stack consists of electrochemical reactors such as a stack for stacking the tubular electrochemical reactor cell It relates to a chemical reactor system.

従来より、電気化学リアクターの代表的なものとして、固体酸化物形燃料電池(以下SOFCとも記す)が知られている。このSOFCとは、電解質としてイオン導電性を有する固体酸化物電解質を用いた燃料電池である。   Conventionally, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) is known as a typical electrochemical reactor. The SOFC is a fuel cell using a solid oxide electrolyte having ionic conductivity as an electrolyte.

前記SOFCの基本構造は、通常、カソード(空気極)と固体酸化物電解質とアノード(燃料極)の3層により構成されており、通常は、800〜1000℃の温度領域において使用される。   The basic structure of the SOFC is usually composed of three layers of a cathode (air electrode), a solid oxide electrolyte, and an anode (fuel electrode), and is usually used in a temperature range of 800 to 1000 ° C.

このSOFCにおいては、アノードに燃料ガス(水素、一酸化炭素、炭化水素等)が供給されるとともに、カソードに空気、酸素等が供給されると、カソード側の酸素分圧とアノード側の酸素分圧との間に差が生じるので、ネルンストの式に従う電圧が両電極間に生じる。酸素は、カソードにおいてイオンとなり、固体電解質内を通ってアノード側に移動し、アノードに達した酸素イオンは、燃料ガスと反応して電子を放出する。そのため、アノードとカソードとの間に負荷を接続すれば、燃料電池より、直接に電気を取り出すことができる。   In this SOFC, when fuel gas (hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbon, etc.) is supplied to the anode and air, oxygen, etc. are supplied to the cathode, the oxygen partial pressure on the cathode side and the oxygen content on the anode side are supplied. Since a difference arises between the two electrodes, a voltage according to the Nernst equation is generated. Oxygen becomes ions at the cathode and moves to the anode side through the solid electrolyte, and the oxygen ions reaching the anode react with the fuel gas and release electrons. Therefore, if a load is connected between the anode and the cathode, electricity can be directly taken out from the fuel cell.

また、SOFCの一層の実用化のためには、SOFCの作動温度の低温化が必須であり、そのためには、電解質の薄膜化及び高イオン伝導率を有する材料を用いるのが効果的である。このうち、電極を支持体とすることで、電解質の薄膜化が可能になるため、特にアノードサポート型セルが広く研究されている。   In order to further commercialize the SOFC, it is essential to lower the operating temperature of the SOFC. For this purpose, it is effective to use a material having a thin electrolyte and high ionic conductivity. Among these, since the electrode can be used as a support, it is possible to reduce the thickness of the electrolyte. Therefore, particularly anode-supported cells have been widely studied.

また、作動温度を500〜600℃に下げることで、安価な材料の使用と運転コストの低下が期待でき、SOFCの汎用性が高まることが期待される。これまでには、新しいアノード、カソード材料を開発することで、低温域(600℃)においても、0.8〜1W/cm2と高い電力出力を有する平板タイプのSOFCが提案されている(非特許文献1、2参照)。 In addition, by lowering the operating temperature to 500 to 600 ° C., it is expected that the use of inexpensive materials and the reduction of the operating cost can be expected, and the versatility of SOFC is expected to increase. Up to now, by developing new anode and cathode materials, a flat plate type SOFC having a high power output of 0.8 to 1 W / cm 2 has been proposed even in a low temperature region (600 ° C.) (non- (See Patent Documents 1 and 2).

ところが、上述した高い電力出力が可能なアノードサポート型SOFCは、平板型であるので、急激な運転サイクルの条件下では、セルの破壊を引き起こし易いという問題があった。この理由は、一般的に使用されるニッケルサーメットが、酸化還元雰囲気での運転サイクルや温度変化によって大きな体積変化を生じるので、セルが歪み、破壊に至るからである。そのため、平板セルの性能を保ちながら、大型化、スタック化してゆくことには、非常に大きな技術的問題がある。   However, since the anode support type SOFC capable of high power output described above is a flat plate type, there has been a problem that it is likely to cause cell destruction under conditions of an abrupt operation cycle. The reason for this is that nickel cermet that is generally used causes a large volume change due to an operation cycle in an oxidation-reduction atmosphere or a temperature change, so that the cell is distorted and destroyed. Therefore, there is a very big technical problem in increasing the size and stacking while maintaining the performance of the flat cell.

また、アノードサポート型セルの電極構造や厚みを薄くすることも、性能向上の点で重要であるが、平板型で厚さを薄くして、空孔率を上げていくことも困難であるため、平板型セルに代わる構造として、チューブ状のセルからなるSOFC構造体なども研究されている(特許文献1参照)。   In addition, reducing the electrode structure and thickness of the anode support cell is important in terms of performance improvement, but it is also difficult to increase the porosity by reducing the thickness with a flat plate type. As an alternative to a flat plate cell, an SOFC structure composed of a tubular cell has been studied (see Patent Document 1).

つまり、これまでに提案されているチューブ型セルスタックは、カソード材料によってチューブセルを安定保持した構造を有しており、電極集電シート等を利用して、アノードとカソードからの集電を行うものであった。
特開2004−335277号公報 Z.Shao and S.M.Haile. Nature431 170-173(2004) T.Hibino,A.Hashimoto,K.Asano,M.Yano,M.Suzuki and M.Sano. Electrochem.Solid-Sate Lett,5(11)A242-A244(2002)
In other words, the tube cell stacks proposed so far have a structure in which the tube cell is stably held by the cathode material, and current collection from the anode and the cathode is performed using an electrode current collector sheet or the like. It was a thing.
JP 2004-335277 A Z.Shao and SMHaile.Nature431 170-173 (2004) T. Hibino, A. Hashimoto, K. Asano, M. Yano, M. Suzuki and M. Sano. Electrochem. Solid-Sate Lett, 5 (11) A242-A244 (2002)

しかしながら、現状のデザインでは、スタック構造を重ね合わせても、各スタック間の電気的接続は容易では無く、それを解決する具体的な提案はなされていない。
特に、従来の構造では、スタック内での直列接続は困難であり、それが集電効率を低下させる一因となっており、高効率の小型チューブ状セルを効率良く集積したスタック、即ち直列接続により容易に高電圧が得られる(小型チューブ状セルを集積した)スタックは報告されていないのが現状である。
However, in the current design, even if the stack structures are overlapped, the electrical connection between the stacks is not easy, and no specific proposal has been made to solve it.
In particular, in the conventional structure, it is difficult to connect in series in the stack, which contributes to a decrease in current collection efficiency, and a stack in which highly efficient small tubular cells are efficiently integrated, that is, in series connection. However, there has been no report on a stack that can easily obtain a high voltage (integrated small tubular cells).

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、チューブ型セルを用いる場合に、スタック内で容易に直列接続が可能な電気化学リアクタースタック及び電気化学リアクターシステムを提供することにある。 The present invention has been made to solve the problems described above, and its object is case, readily conductive capable series gas chemical reactor stack及 beauty electrochemical in the stack using a tube type cell It is to provide a reactor system.

本発明者らは、上述した問題点を解決することを目的として鋭意研究を重ねた結果、微細な径を有するチューブ型セルを効率よく配列できるリアクターセル支持体を用いて、作動温度を低温化できるとともに、コンパクトな構成にもかかわらず容易に高電圧が得られる電気化学リアクタースタック及び電気化学リアクターシステムの各発明を完成した。 As a result of intensive studies aimed at solving the above-mentioned problems, the present inventors have lowered the operating temperature by using a reactor cell support that can efficiently arrange tube-type cells having fine diameters. In addition, the inventions of an electrochemical reactor stack and an electrochemical reactor system capable of easily obtaining a high voltage in spite of a compact configuration have been completed.

つまり、本発明におけるリアクターセル支持体を用いることにより、(作動温度の低温化を実現できるセル構造を有する)チューブ型電気化学リアクターセルを効率よく集積でき、また、積層によって容易にスタックを構成することができる。更に、このリアクターセル支持体を用いた電気化学リアクタースタック及び電気化学リアクターシステムでは、リアクターセル支持体の集電体により、電気化学リアクターセル及びリアクターセル支持体の単純な積層によって、電気的な直列接続を容易に実現でき、それによって発電電圧を高めることができる。 In other words, configuration by using a reactor cell support in the invention, the (cold the having a cell structure capable of realizing the operating temperature) tube electrochemical reactor cell can integrated efficiently, also easily stack by lamination can do. Furthermore, in the electrochemical reactor stack and the electrochemical reactor system using the reactor cell support, an electric series is formed by a simple stack of the electrochemical reactor cell and the reactor cell support by a current collector of the reactor cell support. Connection can be easily realized, thereby increasing the generated voltage.

以下、各請求項毎に説明する。
(1)請求項1の発明は、電解質層を挟んで第1電極層と第2電極層とが積層された多層構造のチューブ型の複数の電気化学リアクターセルと、前記第1電極層に電気的に接続される第1電極集電体と、前記第2電極層に電気的に接続される第2電極集電体と、前記第1電極集電体と前記第2電極集電体との間に配置されて前記第1電極集電体と前記第2電極集電体とを絶縁するセパレータと、が一体に構成されたリアクターセル支持体と、を備えた電気化学リアクタースタックであって、前記リアクターセル支持体は、平板状で表面に複数の溝が並列に設けられものであり、前記リアクターセル支持体の複数の溝のそれぞれに、前記複数の電気化学リアクターセルの各電気化学リアクターセルがそれぞれ嵌められて、前記リアクターセル支持体に前記複数の電気化学リアクターセルが並列に配置され層状のセル層状部が構成されるとともに、前記セル層状部が、複数層積層されたスタック構造を有し、更に、前記第1電極層は、前記電気化学リアクターセルの電解質層の内側に形成されるとともに、該電解質層の軸方向の一部で該電解質層から露出し、且つ、前記第2電極層は、前記電解質層の外側表面に形成されており、しかも、前記第1電極集電体は、前記第1電極層の露出部分にて電気的に接続され、且つ、前記第2電極集電体は、前記第2電極層の外側表面にて電気的に接続されていることを特徴とする。
Hereinafter, each claim will be described.
(1) According to the first aspect of the present invention, a plurality of tube-type electrochemical reactor cells having a multilayer structure in which a first electrode layer and a second electrode layer are laminated with an electrolyte layer interposed therebetween; First electrode current collector, second electrode current collector electrically connected to the second electrode layer, first electrode current collector and second electrode current collector, A reactor cell support integrally formed with a separator disposed between and separating the first electrode current collector and the second electrode current collector; and an electrochemical reactor stack, the reactor cell support is for a plurality of grooves on a surface which is shaped like a flat plate provided in parallel, each of the plurality of grooves of the reactor cell support, each electrochemical reactor of the plurality of electrochemical reactor cell Each cell is fitted with the reactor cell With cell layer portion layered plurality of electrochemical reactor cell is placed in parallel with the lifting body is configured, the cell layer portion has a plurality of layers laminated stack structure, further, the first electrode The layer is formed inside the electrolyte layer of the electrochemical reactor cell, and is exposed from the electrolyte layer at a part in the axial direction of the electrolyte layer, and the second electrode layer is outside the electrolyte layer. The first electrode current collector is electrically connected at an exposed portion of the first electrode layer, and the second electrode current collector is formed on the second electrode layer. It is electrically connected at the outer surface of the.

本発明では、前記リアクターセル支持体を用いて、複数のチューブ型電気化学リアクターセル(以下チューブ型電気化学リアクターセルと記すこともある)を配列して支持し、それら(セル層状部)を積層することにより、電気的な直列接続を有する電気化学リアクタースタックを容易に構成することができる。 In the present invention, by using the reactor cell support, and supported by arranging a plurality of tubular electrochemical reactor cell (sometimes hereinafter referred to as tubular electrochemical reactor cell), they (the cell layer portion) By stacking, an electrochemical reactor stack having an electrical series connection can be easily configured.

つまり、本発明では、小径のチューブ型(マイクロチューブ型)電気化学リアクターセルを複数個効率良く配置でき、コンパクトな構成で単位体積当たりの出力を飛躍的に高めた高性能の電気化学リアクタースタックを得ることができる。なお、セル層状部の積層状態を調節することにより、任意の電圧出力を得ることも容易である。   In other words, in the present invention, a high-performance electrochemical reactor stack in which a plurality of small-diameter tube-type (microtube-type) electrochemical reactor cells can be efficiently arranged and the output per unit volume is dramatically increased with a compact configuration. Can be obtained. It is easy to obtain an arbitrary voltage output by adjusting the stacking state of the cell layered portion.

また、この構成であれば、従来材料を用いた場合でも、作動温度を例えば600℃以下の低温にすることが可能であり、コンパクトで高電圧が得られ、コストパフォーマンスに優れた電気化学リアクタースタック(固体酸化物形燃料電池スタック等)や電気化学リアクターシステムを作製することができる。   In addition, with this configuration, even when conventional materials are used, it is possible to reduce the operating temperature to a low temperature of, for example, 600 ° C. or less, and a compact, high voltage can be obtained. (Solid oxide fuel cell stack etc.) and electrochemical reactor system can be produced.

つまり、このチューブ型電気化学リアクターセルの効率的な配置と集電部分のコンパクト化を同時に達成できるリアクターセル支持体を利用することで、工業プロセスの簡易化が可能となり、高性能の電気化学リアクタースタックや電気化学リアクターシステムの製造コストを大幅に削減することが可能となる。
また、本発明では、第1電極集電体は、第1電極層の露出部分にて電気的に接続され、且つ、第2電極集電体は、第2電極層の外側表面にて電気的に接続されている。これにより、電気的接続部分の構成をコンパクトにすることができる。また、他のセル層状部との電気的接続部分の構成も簡易化することができる。
In other words, by using the reactor cell support that can achieve the efficient arrangement of the tube-type electrochemical reactor cell and the compactness of the current collector at the same time, the industrial process can be simplified and the high-performance electrochemical reactor Manufacturing costs for stacks and electrochemical reactor systems can be greatly reduced.
In the present invention, the first electrode current collector is electrically connected at the exposed portion of the first electrode layer, and the second electrode current collector is electrically connected at the outer surface of the second electrode layer. It is connected to the. Thereby, the structure of an electrical connection part can be made compact. Moreover, the structure of the electrical connection part with another cell layer part can also be simplified.

なお、チューブ型電気化学リアクターセルとしては、従来、直径が5mm〜数cmのものが知られているが、本発明では、それより小さな直径のものを採用できる。 As the tubular electrochemical reactor cell, conventionally, in diameter it is known ones 5mm~ number cm, in the present invention, Ru can adopt it as from small diameter.

)請求項の発明は、少なくとも前記第2電極集電体は、通気性を有するとともに、10%以上の多孔度を有することを特徴とする。
従って、本発明では、第2電極集電体を介して、第2電極層に対して、好適に燃料ガスや酸化剤ガスの供給を行うことができる。
( 2 ) The invention of claim 2 is characterized in that at least the second electrode current collector has air permeability and a porosity of 10% or more.
Therefore, in the present invention, the fuel gas and the oxidant gas can be suitably supplied to the second electrode layer via the second electrode current collector.

)請求項の発明は、前記第1電極層又は第2電極層が燃料極である場合には、その燃料極側の第1電極集電体又は第2電極集電体の集電体材料が、La1-xxCr1-yy3(A=Sr、Ca、Mg)(B=Ni、Co、Mn,Fe)(x、y=0〜1)、ステンレス鋼、金属合金、金属・酸化物サーメットのいずれかにより構成されていることを特徴とする。 ( 3 ) In the invention of claim 3 , when the first electrode layer or the second electrode layer is a fuel electrode, the current collector of the first electrode current collector or the second electrode current collector on the fuel electrode side is provided. body material, La 1-x A x Cr 1-y B y O 3 (A = Sr, Ca, Mg) (B = Ni, Co, Mn, Fe) (x, y = 0~1), stainless steel It is characterized by being composed of any one of metal alloy and metal / oxide cermet.

本発明は、燃料極側の材料を例示したものであり、この材料を用いることにより、還元性の雰囲気であっても、高い導電性を維持することができる。
)請求項の発明は、前記第1電極層又は第2電極層が空気極である場合には、その空気極側の第1電極集電体又は第2電極集電体の集電体材料が、Ag、La、Sr、Mn、Co、Fe、Sm、Ce、Pr、Nd、Ca、Ba、Ni、Mgの元素、及びこれらの元素を1種以上含む酸化物化合物のいずれかにより構成されていることを特徴とする。
The present invention exemplifies a material on the fuel electrode side, and by using this material, high conductivity can be maintained even in a reducing atmosphere.
( 4 ) In the invention of claim 4 , when the first electrode layer or the second electrode layer is an air electrode, the current collector of the first electrode current collector or the second electrode current collector on the air electrode side is provided. The body material is any of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ce, Pr, Nd, Ca, Ba, Ni, Mg, and an oxide compound containing one or more of these elements. It is configured.

本発明は、空気極側の材料を例示したものであり、この材料を用いることにより、酸化雰囲気であっても、高い導電性を維持することができる。
)請求項の発明は、前記セパレータの材料が、電気絶縁性を有するガラス又はセラミックスであることを特徴とする。
The present invention exemplifies a material on the air electrode side, and by using this material, high conductivity can be maintained even in an oxidizing atmosphere.
( 5 ) The invention of claim 5 is characterized in that the material of the separator is glass or ceramics having electrical insulation.

本発明は、セパレータの材料を例示したものである。
)請求項の発明は、前記リアクターセル支持体同士が、一部に絶縁性部材を挟みながら、電気的に直列に接続されていることを特徴とする。
The present invention exemplifies the material of the separator.
(6) The invention of claim 6, wherein the reactor cell support each other, while sandwiching the partially insulating member, characterized in that it is electrically connected in series.

本発明により、リアクターセル支持体(従ってセル層状部)を積層して、電気化学リアクタースタックをコンパクトに構成できる。
)請求項の発明は、隣り合う前記リアクターセル支持体において、一方のリアクターセル支持体の第1電極集電体と他方のリアクターセル支持体の第2電極集電体とが、電気的に接続されていることを特徴とする。
According to the present invention, the reactor cell support (and hence the cell layered portion) can be laminated to make the electrochemical reactor stack compact.
( 7 ) According to the invention of claim 7 , in the adjacent reactor cell support, the first electrode current collector of one reactor cell support and the second electrode current collector of the other reactor cell support are electrically connected. It is characterized by being connected.

これにより、リアクターセル支持体(従ってセル層状部)を積層した場合、積層方向における電気的接続(直列接続)を容易に実現でき、電気化学リアクタースタックをコンパクトに構成できる。   Thereby, when the reactor cell support (and thus the cell layer portion) is stacked, electrical connection (series connection) in the stacking direction can be easily realized, and the electrochemical reactor stack can be configured compactly.

)請求項の発明は、前記リアクターセル支持体が6面体構造であり、この6面体の向かい合う両面から前記電気化学リアクターセルの両端が突出して固定されていることを特徴とする。 ( 8 ) The invention of claim 8 is characterized in that the reactor cell support has a hexahedron structure, and both ends of the electrochemical reactor cell protrude and are fixed from both sides of the hexahedron facing each other.

本発明は、電気化学リアクタースタックを例示したものである。これにより、セルの集積度を高めることができる。 The present invention illustrates an electrochemical reactor stack. Thus, Ru can increase the degree of integration of the cell.

)請求項の発明は、前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタックを用いた電気化学リアクターシステムであって、運転温度が650℃以下であり、電気化学反応によって電流を取り出すことを特徴とする。 (9) The invention of claim 9, wherein an electrochemical reactor system using an electrochemical reactor stack according to any one of claims 1 to 8, the operating temperature is at 650 ° C. or less, electrochemical It is characterized by taking out an electric current by reaction.

本発明は、上述した電気化学リアクタースタックを用いることにより、低温での運転が可能である。
10)請求項10の発明は、前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタックを用いた電気化学リアクターシステムであって、前記電気化学リアクターシステムが、固体酸化物形燃料電池、排ガス浄化装置、水素製造装置、及び合成ガス製造装置のいずれかに用いられるものであることを特徴とする。
The present invention can be operated at a low temperature by using the electrochemical reactor stack described above.
( 10 ) The invention of claim 10 is an electrochemical reactor system using the electrochemical reactor stack according to any one of claims 1 to 8, wherein the electrochemical reactor system is in a solid oxide form. It is used for any one of a fuel cell, an exhaust gas purification device, a hydrogen production device, and a synthesis gas production device.

本発明は、電気化学リアクターシステムの用途を例示したものである。   The present invention illustrates the use of an electrochemical reactor system.

上述した様に、本発明によって、下記の効果が得られる。
・従来では、チューブ径が数mm以下の高性能なセルを効率よく集積したスタックの実現は困難であったが、本発明のリアクターセル支持体を用いることにより、積層時に集電体部分の直列接続が容易になり、使用目的に応じた最適な設計が可能となる。よって、体積当たりの出力電圧を高めた小型電気化学リアクタースタック及び小型電気化学リアクターシステムを構築することができる。
As described above, the following effects can be obtained by the present invention.
Conventionally, it has been difficult to realize a stack in which high-performance cells having a tube diameter of several millimeters or less are efficiently integrated. However, by using the reactor cell support of the present invention, the current collector parts are connected in series at the time of stacking. Connection becomes easy and the optimum design according to the purpose of use becomes possible. Therefore, a small electrochemical reactor stack and a small electrochemical reactor system with an increased output voltage per volume can be constructed.

つまり、チューブ型の電気化学リアクターセルを効率よくリアクターセル支持体に配列することで、構造上容易に積層が可能であり、低容積においても非常に高い電力出力を有する電気化学リアクタースタックが得られる。   In other words, by efficiently arranging tube-type electrochemical reactor cells on the reactor cell support, it is possible to easily stack the structure, and an electrochemical reactor stack having a very high power output can be obtained even at a low volume. .

すなわち、このリアクターセル支持体を使用することにより、支持体間(従ってセル間)の直列接続を容易に達成することができ、体積当たりのモジュール電圧を高めることが可能となる。   That is, by using this reactor cell support, series connection between supports (and hence between cells) can be easily achieved, and the module voltage per volume can be increased.

・工業的な製造プロセスを簡易化でき、製造コストを削減できる高性能な電気化学リアクタースタックを提供できる。
・電解質の薄膜化及びチューブサイズの小型化により、単位体積当たりの表面積を大幅に増加させることができ、それによって、更なる運転温度の低温下を実現できる。
-A high-performance electrochemical reactor stack that can simplify the industrial manufacturing process and reduce manufacturing costs can be provided.
-By reducing the thickness of the electrolyte and reducing the tube size, the surface area per unit volume can be greatly increased, thereby further lowering the operating temperature.

・電気化学リアクタースタックを利用した650℃以下で運転可能な固体酸化物形燃料電池スタック等の電気化学リアクターシステムを提供できる。
・電気化学リアクターシステムは、クリーンエネルギー源や環境浄化装置として好適に利用できる。
An electrochemical reactor system such as a solid oxide fuel cell stack that can be operated at 650 ° C. or lower using an electrochemical reactor stack can be provided.
The electrochemical reactor system can be suitably used as a clean energy source or an environmental purification device.

以下、本発明の実施形態について説明する。
[第1実施形態]
a)図1は、本実施形態のリアクターセル支持体1及びセル層状部2を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[First Embodiment]
a) FIG. 1 shows a reactor cell support 1 and a cell layer portion 2 of the present embodiment.

図1(a)に示す様に、リアクターセル支持体1は、導電性を有する第1電極集電体3及び第2電極集電体5と、両集電体3、5の間に配置された絶縁性を有するセパレータ7とから構成され、複数の電気化学リアクターセル9を平行に配置して保持できる構造を有している。なお、リアクターセル支持体1に電気化学リアクターセル9が支持されたものをセル層状部2と称する。   As shown in FIG. 1 (a), the reactor cell support 1 is disposed between the first and second electrode current collectors 3 and 5 and both current collectors 3 and 5. The separator 7 has insulating properties, and has a structure that can hold a plurality of electrochemical reactor cells 9 arranged in parallel. In addition, what the electrochemical reactor cell 9 was supported by the reactor cell support body 1 is called the cell layer part 2. FIG.

前記第1電極集電体3と第2電極集電体5とセパレータ7とにおいて、その一方の側(図1(a)の上方)、即ちリアクターセル支持体1の一方の側には、電気化学リアクターセル9が嵌り込む断面U字状の格納溝11が平行に形成されている。   In the first electrode current collector 3, the second electrode current collector 5, and the separator 7, an electric side is disposed on one side (above FIG. 1A), that is, on one side of the reactor cell support 1. A storage groove 11 having a U-shaped cross section into which the chemical reactor cell 9 is fitted is formed in parallel.

電気化学リアクターセル9は、図2に示す様に、チューブ型であり、その内側にセル自身を支持するサポートである第1電極層(内側電極層)13が形成され、第1電極層13の表面に電解質層15が形成され、電解質層15の表面に第2電極層(外側電極層)17が形成されている。   As shown in FIG. 2, the electrochemical reactor cell 9 is a tube type, and a first electrode layer (inner electrode layer) 13 serving as a support for supporting the cell itself is formed inside the electrochemical reactor cell 9. An electrolyte layer 15 is formed on the surface, and a second electrode layer (outer electrode layer) 17 is formed on the surface of the electrolyte layer 15.

なお、第1電極層13は、セル9の軸方向の1端にて電解質層15から露出し、電解質層15は、セル9の軸方向両側にて第2電極層17から露出している。この露出部13aは、第1電極層13の外部引き出し電極として機能する。   The first electrode layer 13 is exposed from the electrolyte layer 15 at one end in the axial direction of the cell 9, and the electrolyte layer 15 is exposed from the second electrode layer 17 on both sides in the axial direction of the cell 9. The exposed portion 13 a functions as an external lead electrode of the first electrode layer 13.

従って、図1(b)、(c)に示す様に、第1電極層13はその露出部13を介して第1電極集電体3に電気的に接続され、第2電極層17は第2電極集電体5に電気的に接続されている。   Accordingly, as shown in FIGS. 1B and 1C, the first electrode layer 13 is electrically connected to the first electrode current collector 3 through the exposed portion 13, and the second electrode layer 17 is The two-electrode current collector 5 is electrically connected.

b)以下、詳細に説明する。
・リアクターセル支持体1のサイズは、特に限定されるものではなく、使用する電気化学リアクターセル9の長さ、径、本数によって適宜決めればよい。リアクターセル支持体1の幅は、格納する電気化学リアクターセル9の本数によって決定することができる。通常は、1列当たり3〜20本の電気化学リアクターセル9を配置するのが好ましく、特に1列当たり5〜10本が好適である。その際に、電気化学リアクターセル9の間隔は、0.4mm以上が好適である。なお、電気化学リアクターセル9の間隔は、一定でなくともよい。
b) Details will be described below.
The size of the reactor cell support 1 is not particularly limited, and may be determined as appropriate depending on the length, diameter, and number of electrochemical reactor cells 9 to be used. The width of the reactor cell support 1 can be determined by the number of electrochemical reactor cells 9 to be stored. Usually, it is preferable to arrange 3 to 20 electrochemical reactor cells 9 per row, and 5 to 10 cells per row are particularly suitable. At that time, the interval between the electrochemical reactor cells 9 is preferably 0.4 mm or more. Note that the interval between the electrochemical reactor cells 9 may not be constant.

リアクターセル支持体1の長さは、使用する電気化学リアクターセル9の長さと同等にするのが好適である。電気化学リアクターセル9の長さは、0.5〜10cmが好ましく、1〜5cmが好適である。これは、第1電極層13が、電気化学リアクターセル9の端末から集電を行うために、これ以上のチューブ長さでは、集電抵抗が増加し、エネルギー変換効率が減少してしまうためである。また、これ以下のチューブ長さでは、スタックとした場合に、必要十分な電極を得ることが困難になるからである。   The length of the reactor cell support 1 is preferably equal to the length of the electrochemical reactor cell 9 used. The length of the electrochemical reactor cell 9 is preferably 0.5 to 10 cm, and preferably 1 to 5 cm. This is because the first electrode layer 13 collects current from the terminal of the electrochemical reactor cell 9, so that the current collection resistance increases and the energy conversion efficiency decreases at a tube length longer than this. is there. In addition, when the tube length is less than this, it is difficult to obtain necessary and sufficient electrodes in the case of a stack.

図3は、1.6mm径、0.8mm径のチューブ型の電気化学リアクターセル9の長さを変化させたときの効率ロスのシミュレーション結果を示したものである。同図で分かるように、電気化学リアクターセル9の長さを減少させることによって、抵抗(従って効率ロス)を低減することができる。つまり、上述した範囲においては低効率ロスを実現できることが分かる。   FIG. 3 shows a simulation result of the efficiency loss when the length of the tubular electrochemical reactor cell 9 having a diameter of 1.6 mm and a diameter of 0.8 mm is changed. As can be seen in the figure, by reducing the length of the electrochemical reactor cell 9, resistance (and hence efficiency loss) can be reduced. That is, it can be seen that a low-efficiency loss can be realized in the above-described range.

また、リアクターセル支持体1の高さは、チューブ型の電気化学リアクターセル9の管径を考慮し、電気化学リアクターセル9を格納できる厚みを有することが必要である。その際には、電気化学リアクターセル9の径+0.5〜20mmの高さを有するのが好ましい。これ以下であると、集電効率が低下し、これ以上になると電気化学リアクターセル9配置効率が低下し、体積当たりの必要十分な電力を得ることが困難になる。   The height of the reactor cell support 1 needs to have a thickness that can accommodate the electrochemical reactor cell 9 in consideration of the tube diameter of the tube-type electrochemical reactor cell 9. In that case, it is preferable that the electrochemical reactor cell 9 has a diameter of +0.5 to 20 mm. If it is less than this, the current collection efficiency is lowered, and if it is more than this, the arrangement efficiency of the electrochemical reactor cell 9 is lowered, and it becomes difficult to obtain necessary and sufficient power per volume.

この様に、リアクターセル支持体1のサイズは、使用する電気化学リアクターセル9の長さ、径、本数により、適宜決定することができる。
・次に、このリアクターセル支持体1の各部材について説明する。
As described above, the size of the reactor cell support 1 can be appropriately determined depending on the length, diameter, and number of the electrochemical reactor cells 9 to be used.
Next, each member of the reactor cell support 1 will be described.

まず、第1電極集電体3には、電気化学リアクターセル9を格納できる格納溝11が形成されている。
第1電極集電体3の厚みは、電気化学リアクターセル9の第1電極層13の露出部13aを考慮し、第1電極層13を保持できる厚さを有することが必要である。また、第1電極層13を保持する部分の厚みは、電気化学リアクターセル9の性能と格納する部分の長さ、本数、第1電極層13の電気抵抗によって決定される厚みを有する必要がある。それは、電気化学リアクターセル9の本数、長さが増加することで、集電電流が増加するため、第1電極集電体3は、集電ロスを最小限に抑えるために、必要な厚さを有することが必要になるからである。
First, the storage groove 11 in which the electrochemical reactor cell 9 can be stored is formed in the first electrode current collector 3.
The first electrode current collector 3 needs to have a thickness that can hold the first electrode layer 13 in consideration of the exposed portion 13 a of the first electrode layer 13 of the electrochemical reactor cell 9. Further, the thickness of the portion holding the first electrode layer 13 needs to have a thickness determined by the performance of the electrochemical reactor cell 9, the length and number of the storage portions, and the electric resistance of the first electrode layer 13. . This is because the current collection current increases as the number and length of the electrochemical reactor cells 9 increase. Therefore, the first electrode current collector 3 has a thickness necessary for minimizing current collection loss. This is because it is necessary to have

第2電極集電体5にも、電気化学リアクターセル9を格納できる格納溝11が形成されている。
第2電極集電体5は、流通ガスの供給機能を有するため、その構造体の多孔度は10%以上であることが好ましい。第2電極集電体5のセル軸方向の長さは、第2電極層17が覆われるような長さであればよい。
The second electrode current collector 5 is also formed with a storage groove 11 in which the electrochemical reactor cell 9 can be stored.
Since the second electrode current collector 5 has a function of supplying a circulating gas, the porosity of the structure is preferably 10% or more. The length of the second electrode current collector 5 in the cell axis direction may be long enough to cover the second electrode layer 17.

・また、リアクターセル支持体1に格納される電気化学リアクターセル9の径は、3mm以下であることが好ましく、2mm以下がより好適である。電気化学リアクターセル9の径の減少によって、格納されるチューブ本数を増やすことができ、単位体積当たりのセル出力を向上させることができる。   -Moreover, it is preferable that the diameter of the electrochemical reactor cell 9 stored in the reactor cell support body 1 is 3 mm or less, and 2 mm or less is more suitable. By reducing the diameter of the electrochemical reactor cell 9, the number of tubes to be stored can be increased, and the cell output per unit volume can be improved.

なお、前記図2に示す様に、電気化学リアクターセル9の一端にて、電解質層15から露出する露出部13aの軸方向長さは、第1電極集電体3の厚みを考慮して適宜調節することができる。   As shown in FIG. 2, the axial length of the exposed portion 13 a exposed from the electrolyte layer 15 at one end of the electrochemical reactor cell 9 is appropriately determined in consideration of the thickness of the first electrode current collector 3. Can be adjusted.

この電気化学リアクターセル9の構成としては、第1電極層13と第2電極層17が、それぞれ空気極と燃料極であるもの、又は、第1電極層13と第2電極層17が、それぞれ燃料極と空気極であるものが挙げられる。   As the structure of this electrochemical reactor cell 9, the first electrode layer 13 and the second electrode layer 17 are respectively an air electrode and a fuel electrode, or the first electrode layer 13 and the second electrode layer 17 are respectively Examples include a fuel electrode and an air electrode.

前記電気化学リアクターセル9の管厚みは、管径にも依存するが、0.1〜1mmであることが好ましく、0.3〜0.8mmが最適である。管厚みを、0.3〜0.8mmにすることで、最適な電極性能を得つつ、チューブ端末より十分な集電を行いながら、必要な強度を有する空孔率の高い電極構造を有するチューブ構造体を実現できる。   The tube thickness of the electrochemical reactor cell 9 depends on the tube diameter, but is preferably 0.1 to 1 mm, and most preferably 0.3 to 0.8 mm. A tube having an electrode structure with a high porosity and a necessary strength while collecting current from the tube terminal while obtaining optimum electrode performance by setting the tube thickness to 0.3 to 0.8 mm. A structure can be realized.

また、チューブの空孔率については、高速ガス拡散や還元反応の促進のために、10%以上あることが好適である。
図4は、長さ1cmの電気化学リアクターセル9の第1電極層13の厚みを変化させたときの効率ロスのシミュレーション結果を示したものである。同図で分かるように、電気化学リアクターセル9の径を減少させることによって、効率ロスが増加することが分かる。つまり、上述した範囲においては低効率ロスを実現できることが分かる。
Further, the porosity of the tube is preferably 10% or more in order to promote high-speed gas diffusion and reduction reaction.
FIG. 4 shows a simulation result of the efficiency loss when the thickness of the first electrode layer 13 of the electrochemical reactor cell 9 having a length of 1 cm is changed. As can be seen from the figure, the efficiency loss increases by decreasing the diameter of the electrochemical reactor cell 9. That is, it can be seen that a low-efficiency loss can be realized in the above-described range.

・燃料極側の集電体を構成する主な材料としては、ランタンクロマイト(LaCrO3)などの導電性セラミックス、金、銀や白金などの貴金属、ステンレススチール、ニッケル等が、好適な一例として挙げられる。 ・ Preferable examples of the main material constituting the current collector on the fuel electrode side include conductive ceramics such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ), noble metals such as gold, silver and platinum, stainless steel, and nickel. It is done.

また、特に、第2電極層が燃料極として利用される際は、下記の燃料極材料と電解質材料の混合体から構成される複合物を用いることも好適である。
燃料極材料としては、Ni、Cu、Pt、Pd、Au、Ru、Co、La、Sr、Tiから選ばれる金属及び/又はこれらの元素1種類以上から構成される酸化物であって、触媒として機能するものを採用できる。具体的には、Ni、Co、Ru等が好適である。このうち、Niは、他の金属に比べて安価であり、且つ、水素等の燃料ガスとの反応性が十分に大きいことから好適である。また、これらの元素や酸化物を混合した複合物を用いることも可能である。
In particular, when the second electrode layer is used as a fuel electrode, it is also preferable to use a composite composed of a mixture of the following fuel electrode material and electrolyte material.
The fuel electrode material is a metal selected from Ni, Cu, Pt, Pd, Au, Ru, Co, La, Sr, Ti and / or an oxide composed of one or more of these elements, and serves as a catalyst. You can adopt something that works. Specifically, Ni, Co, Ru, etc. are suitable. Among these, Ni is preferable because it is less expensive than other metals and has a sufficiently high reactivity with fuel gas such as hydrogen. It is also possible to use a composite in which these elements and oxides are mixed.

ここで、アノード材料と電解質材料との複合物を用いる場合、前者と後者の混合比率は、(重量%で)90:10〜40:60の範囲が好ましい。これは、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れているからであり、より好ましくは、80:20〜45:55の範囲である。   Here, when a composite of an anode material and an electrolyte material is used, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 90:10 to 40:60 (in weight percent). This is because it is excellent in balance such as electrode activity and thermal expansion coefficient matching, and more preferably in the range of 80:20 to 45:55.

・空気極側の集電体の材料としては、高い導電性を有する材料が好ましく、且つ、酸素のイオン化に活性の高い材料、特に、Ag、La、Sr、Mn、Co、Fe、Sm、Ce、Pr、Nd、Ca、Ba、Ni、Mgの元素及びこれらの酸化物化合物のうち、1種類以上から構成される材料が好適である。   As the material for the current collector on the air electrode side, a material having high conductivity is preferable, and a material having high activity for ionization of oxygen, particularly Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ce Of these, Pr, Nd, Ca, Ba, Ni, Mg elements and oxide compounds thereof are preferably used.

その中で、例えば遷移金属ペロブスカイト型酸化物、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と電解質材料との複合物を好適に用いることができる。複合物を用いた場合には、空気極に必要な特性である電子導電性及び酸素イオン導電性のうち、酸素イオン導電性が向上するため、空気極で生じた酸素イオンが電解質層へ移行し易くなり、空気極としての電極活性が向上する利点がある。   Among them, for example, transition metal perovskite oxides and composites of transition metal perovskite oxides and electrolyte materials can be preferably used. In the case of using a composite, oxygen ion conductivity is improved among the electron conductivity and oxygen ion conductivity, which are characteristics required for the air electrode, so that oxygen ions generated at the air electrode migrate to the electrolyte layer. It becomes easy and there exists an advantage which the electrode activity as an air electrode improves.

ここで、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質材料との複合物を用いる場合、前者と後者の混合比率は、(重量%で)90:10〜60:40の範囲が好ましい。これは、電極活性や熱膨張係数の整合性等のバランスに優れているからであり、より好ましくは、90:10〜80:20の範囲である。   Here, when a composite of a transition metal perovskite oxide and a solid electrolyte material is used, the mixing ratio of the former and the latter is preferably in the range of 90:10 to 60:40 (in weight percent). This is because it is excellent in balance such as electrode activity and thermal expansion coefficient matching, and more preferably in the range of 90:10 to 80:20.

遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、LaSrMnO3、LaCaMnO3、LaMgMnO3、LaSrCoO3、LaCaCoO3、LaSrFeO3、LaSrCoFeO3、LaSrNiO3、SmSrCoO3等の複合酸化物が好適である。 Specific examples of the transition metal perovskite oxide include LaSrMnO 3 , LaCaMnO 3 , LaMgMnO 3 , LaSrCoO 3 , LaCaCoO 3 , LaSrFeO 3 , LaSrCoFeO 3 , LaSrNiO 3 , and oxides such as SmSrCoO 3 .

固体電解質材料としては、高いイオン伝導が実現される材料を使用することが必要であり、これらに用いられる材料としては、Zr、Ce、Mg、Sc、Ti、Al、Y、Ca、Gd、Sm、Ba、La、Sr、Ga、Bi、Nb、Wのうち、2種以上の元素を含む酸化物化合物であることが望ましい。   As the solid electrolyte material, it is necessary to use a material that realizes high ion conduction, and as materials used for these, Zr, Ce, Mg, Sc, Ti, Al, Y, Ca, Gd, Sm , Ba, La, Sr, Ga, Bi, Nb and W are preferably oxide compounds containing two or more elements.

その中でも、イットリア(Y23)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc23)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb23)、エルビア(Er23)等の安定化剤で安定化された、安定化ジルコニアやイットリア(Y23)やガドリニア(Gd23)、サマリア(Sm23)などをドープしたセリア(CeO)などが好適である。なお、安定化ジルコニアは、1種又は2種以上の安定化剤により安定化されていることが好ましい。 Among them, stabilizers such as yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 ), etc. Stabilized zirconia, yttria (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), ceria (CeO) doped with Samaria (Sm 2 O 3 ), and the like are suitable. The stabilized zirconia is preferably stabilized by one or more stabilizers.

具体的には、安定化剤として、5〜15mol%のイットリアを添加したイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、ドープ剤として5〜30mol%のガドリニアを添加したガドリニアドープセリア(GDC)等が好適である。また、例えば、YSZの場合、イットリア含有量が5mol%未満であると、アノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。また、イットリア含有量が15mol%を超えると、同様にアノードの酸素イオン導電率が低下するので好ましくない。なお、GDCの場合も同様である。   Specifically, yttria-stabilized zirconia (YSZ) added with 5 to 15 mol% yttria as a stabilizer, gadolinia doped ceria (GDC) added with 5 to 30 mol% gadolinia as a dopant, and the like are suitable. . For example, in the case of YSZ, it is not preferable that the yttria content is less than 5 mol% because the oxygen ion conductivity of the anode is lowered. On the other hand, if the yttria content exceeds 15 mol%, the oxygen ion conductivity of the anode similarly decreases, which is not preferable. The same applies to GDC.

・次に、セパレータ7について説明する。
セパレータ7は、第1電極集電体3と第2電極集電体5とを電気的に絶縁するものであり、高い電気絶縁性を有する材料が好ましい。その中で、ガラス、或いはAl、Mg、Si、Ca、Baなどの元素からなる酸化物化合物の1種類以上から構成される材料が好適である。これらの材料からなるペースト状のものを、電極層集電体に塗布、焼結する方法により、上述した位置にセパレータ7を形成することができる。
Next, the separator 7 will be described.
The separator 7 electrically insulates the first electrode current collector 3 and the second electrode current collector 5, and a material having high electrical insulation is preferable. Among them, a material composed of one or more kinds of glass or oxide compounds composed of elements such as Al, Mg, Si, Ca, and Ba is preferable. The separator 7 can be formed at the above-described position by a method of applying a paste made of these materials to the electrode layer current collector and sintering.

第1電極集電体3と第2電極集電体5とは、セパレータ7により結合することができるが、その結合方法は特に限定されるものではなく、例えば無機物系接着剤等を利用して結合してもよい。   The first electrode current collector 3 and the second electrode current collector 5 can be bonded by the separator 7, but the bonding method is not particularly limited. For example, using an inorganic adhesive or the like May be combined.

・また、電気化学リアクターセル9は、リアクターセル支持体1の格納溝11に格納されるが、その際には、導電性を有する材料によって取り付けられる。
電気化学リアクターセル9をリアクターセル支持体1の格納溝11に格納する場合には、空気極側の集電体は、空気極材料から構成されるペーストによって接続されることが好ましい。また、燃料極側の集電体は、金属ペースト等によって接続されることが好ましい。
Moreover, although the electrochemical reactor cell 9 is stored in the storage groove 11 of the reactor cell support body 1, it is attached by the material which has electroconductivity in that case.
When the electrochemical reactor cell 9 is stored in the storage groove 11 of the reactor cell support 1, the current collector on the air electrode side is preferably connected by a paste made of an air electrode material. Further, the current collector on the fuel electrode side is preferably connected by a metal paste or the like.

主な材料としては、具体的には、空気極側には、空気極材料、ランタンクロマイトなどの導電性セラミックス、金、銀や白金などの貴金属を採用できる。燃料極側には、ランタンクロマイトなどの導電性セラミックス、金、銀や白金などの貴金属、ステンレススチール、ニッケル等を採用できる。これらの材料は、ペースト状のものを、塗布、焼結する方法で取り付けることができる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態のリアクター支持体について説明するが、材料等の同様な内容の説明は省略する。
Specifically, as the main material, air electrode materials, conductive ceramics such as lanthanum chromite, noble metals such as gold, silver, and platinum can be employed on the air electrode side. On the fuel electrode side, conductive ceramics such as lanthanum chromite, noble metals such as gold, silver and platinum, stainless steel, nickel and the like can be adopted. These materials can be attached by applying and sintering a paste.
[Second Embodiment]
Next, although the reactor support body of 2nd Embodiment is demonstrated, description of the same content, such as a material, is abbreviate | omitted.

図5に示す様に、本実施形態のリアクター支持体21は、導電性を有する第1電極集電体23及び第2電極集電体25と、両集電体23、25の間に配置された絶縁性を有するセパレータ27とから構成され、複数の電気化学リアクターセル29を平行に配置して保持できる構造を有している。なお、リアクターセル支持体21に電気化学リアクターセル29が支持されたものをセル層状部22と称する。   As shown in FIG. 5, the reactor support 21 of the present embodiment is disposed between the conductive first and second electrode current collectors 23 and 25, and both the current collectors 23 and 25. And a separator 27 having insulating properties, and has a structure that can hold a plurality of electrochemical reactor cells 29 arranged in parallel. In addition, the one in which the electrochemical reactor cell 29 is supported on the reactor cell support 21 is referred to as a cell layer portion 22.

前記第1電極集電体23と第2電極集電体25とセパレータ27には、従ってリアクターセル支持体21には、電気化学リアクターセル29が貫挿される格納孔31が、セル層状部22の厚み方向と垂直に、平行に形成されている。   The first electrode current collector 23, the second electrode current collector 25, and the separator 27, and thus the reactor cell support 21, has a storage hole 31 through which the electrochemical reactor cell 29 is inserted, in the cell layer portion 22. It is formed in parallel with the thickness direction.

なお、電気化学リアクターセル29は、前記第1の実施形態と同様に、第1電極層33と電解質層35と第2電極層37とを備えている。
次に、第2実施形態のリアクター支持体21を例に挙げて、電気化学リアクタースタックを構成する方法について説明する。
The electrochemical reactor cell 29 includes a first electrode layer 33, an electrolyte layer 35, and a second electrode layer 37, as in the first embodiment.
Next, a method for constructing an electrochemical reactor stack will be described by taking the reactor support 21 of the second embodiment as an example.

図6に示す様に、電気化学リアクターセル29をリアクターセル支持体21の格納孔31に挿入し、セル層状部22を構成する。このとき、第1電極層33の露出部33aをリアクターセル支持体21の第1電極集電体23に重なるように配置することが重要である。   As shown in FIG. 6, the electrochemical reactor cell 29 is inserted into the storage hole 31 of the reactor cell support 21 to constitute the cell layer portion 22. At this time, it is important to arrange the exposed portion 33 a of the first electrode layer 33 so as to overlap the first electrode current collector 23 of the reactor cell support 21.

次に、セル層状部22の厚み方向に、第2電極集電体25及びセパレータ27を覆うように、絶縁板(シート)39を配置する。
そして、この絶縁板39を貼り付けたセル層状部22を、その厚み方向に積層する際には、(隣り合う)セル層状部22の向きを逆方向にして積層する。即ち、一方のセル層状部22の第1電極集電体23と他方のセル層状部22の第2電極集電体25とが積層方向にて接触するように順次積層する。
Next, an insulating plate (sheet) 39 is disposed in the thickness direction of the cell layer portion 22 so as to cover the second electrode current collector 25 and the separator 27.
And when laminating | stacking the cell layer part 22 to which this insulating board 39 was stuck in the thickness direction, it laminates | stacks so that the direction of the (adjacent) cell layer part 22 may be reverse. That is, the first electrode current collector 23 of one cell layer portion 22 and the second electrode current collector 25 of the other cell layer portion 22 are sequentially stacked so as to contact each other in the stacking direction.

これにより、図7に示す様に、隣り合うセル層状部22(従ってリアクターセル支持体21)が、電気的に直列に接続された電気化学リアクタースタック41が得られる。なお、電流は、例えば上段の電気化学リアクターセル29の外側の第2電極層37から内側の第1電極層33に流れ、第1電極層33の露出部33aから下段の電気化学リアクターセル29の外側の第2電極層37に流れる。   As a result, as shown in FIG. 7, an electrochemical reactor stack 41 is obtained in which the adjacent cell layer portions 22 (and hence the reactor cell support 21) are electrically connected in series. For example, the current flows from the outer second electrode layer 37 of the upper electrochemical reactor cell 29 to the inner first electrode layer 33, and from the exposed portion 33 a of the first electrode layer 33 of the lower electrochemical reactor cell 29. It flows to the outer second electrode layer 37.

電気化学リアクタースタック41では、図8に示す様に、X方向から空気を供給するとともに、Y方向から燃料ガスを供給することにより、固体酸化物形燃料電池スタックの電気化学リアクターシステムとして発電を行う。なお、この電気化学リアクターシステムでは、積み上げたセル層状部22の段数分×約1Vの電圧の出力が可能である。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明する。
As shown in FIG. 8, the electrochemical reactor stack 41 generates air as an electrochemical reactor system of a solid oxide fuel cell stack by supplying air from the X direction and fuel gas from the Y direction. . In this electrochemical reactor system, it is possible to output a voltage of about 1 V × the number of stacked cell layer portions 22.
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described.

図9(a)、(b)に示す様に、この第3実施形態では、直方体(6面体)のリアクターセル支持体51を用いる。このリアクターセル支持体51には、6面体の対向する2面を貫通するように、前記第1実施形態と同様なチューブ型電気化学リアクターセル53が多数配置されている。   As shown in FIGS. 9A and 9B, in the third embodiment, a rectangular parallelepiped (hexahedron) reactor cell support 51 is used. In this reactor cell support 51, a large number of tube-type electrochemical reactor cells 53 similar to those in the first embodiment are arranged so as to penetrate through two opposite faces of a hexahedron.

リアクターセル支持体51は、板状の第1電極集電体55と直方体状の第2電極集電体57とその間に配置された板状のセパレータ59とから構成されている。
図9(c)に示す様に、本実施形態の場合でも、絶縁板61を介して、隣り合うリアクターセル支持体51の向きを逆にして積層配置して直列接続することにより、高性能の電気化学リアクタースタック63を得ることができる。
The reactor cell support 51 includes a plate-like first electrode current collector 55, a rectangular parallelepiped second electrode current collector 57, and a plate-like separator 59 disposed therebetween.
As shown in FIG. 9 (c), even in the case of this embodiment, a high performance can be achieved by stacking and connecting in series with the direction of the adjacent reactor cell support 51 reversed through the insulating plate 61. An electrochemical reactor stack 63 can be obtained.

この集積方法は、使用体積を最小限に抑えながら、所望の電圧出力の設計が可能であるため、小型消費電力機器用途に最適である。
なお、上記においては、本発明に係わるチューブ型電気化学リアクタースタックをSOFCとして単体で作動させる方法について述べたが、上記作動方法に限定されるものではない。また、本発明におけるリアクターセル支持体としては、さまざまなデザインが考えられ、上述した機能を有する限りは、上述した形状に限定されるものではない。
This integration method can be designed with a desired voltage output while minimizing the volume used, and is therefore optimal for small power consumption equipment applications.
In the above description, the method of operating the tube type electrochemical reactor stack according to the present invention alone as SOFC has been described. However, the method is not limited to the above operating method. Moreover, various designs can be considered as the reactor cell support in the present invention, and the reactor cell support is not limited to the above-described shape as long as it has the above-described function.

次に、本発明のより具体的な実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。   Next, although it demonstrates based on the more concrete Example of this invention, this invention is not limited to a following example.

ここでは、電気化学リアクタースタック及びその製造方法について説明する。
a)まず、本実施例の電気化学リアクタースタックの構成について説明する。
図10に示す様に、本実施例の電気化学リアクタースタック(具体的には固体酸化物形燃料電池スタック)71は、リアクターセル支持体73及び電気化学リアクターセル75を備えたセル層状部77が、同図の上下方向に複数積層されたものである。
Here, an electrochemical reactor stack and a manufacturing method thereof will be described.
a) First, the structure of the electrochemical reactor stack of this example will be described.
As shown in FIG. 10, an electrochemical reactor stack (specifically, a solid oxide fuel cell stack) 71 of this example includes a cell layer portion 77 including a reactor cell support 73 and an electrochemical reactor cell 75. A plurality of layers are stacked in the vertical direction in FIG.

セル層状部77は、多数の円筒状の電気化学リアクターセル75が、リアクターセル支持体73に支持され、セルの軸方向に平行に配置されるとともに左右方向に1列に並んだものであり、このセル層状部77は、電気化学リアクターセル75がリアクターセル支持体73及び絶縁体79により上下方向から挟まれた状態となっている。   The cell layer portion 77 is a structure in which a large number of cylindrical electrochemical reactor cells 75 are supported by a reactor cell support 73, arranged parallel to the axial direction of the cells, and arranged in a line in the left-right direction. The cell layer portion 77 is in a state where the electrochemical reactor cell 75 is sandwiched between the reactor cell support 73 and the insulator 79 from above and below.

電気化学リアクターセル75は、円筒状であり、第1電極層81の表面に電解質層83が形成され、電解質層83の上に第2電極層(図示せず)が形成された3層構造である。
詳しくは、電気化学リアクターセル75は、外径が3mm以下の円筒であり、円筒状の例えば厚み50〜400μmの第1電極層81の外表面のうち、一端を除いて例えば厚み2〜20μmの電解質層83で覆ったものであり、第2電極層は、リアクターセル支持体73と電解質層83との間を埋めて接続するように形成されている。
The electrochemical reactor cell 75 is cylindrical and has a three-layer structure in which an electrolyte layer 83 is formed on the surface of the first electrode layer 81 and a second electrode layer (not shown) is formed on the electrolyte layer 83. is there.
Specifically, the electrochemical reactor cell 75 is a cylinder having an outer diameter of 3 mm or less. Of the outer surface of the cylindrical first electrode layer 81 having a thickness of, for example, 50 to 400 μm, excluding one end, the electrochemical reactor cell 75 has a thickness of, for example, 2 to 20 μm. The second electrode layer is covered with the electrolyte layer 83, and is formed so as to fill and connect between the reactor cell support 73 and the electrolyte layer 83.

前記リアクターセル支持体73は、セルの軸方向に、第1電極集電体85、セパレータ87、第2電極集電体89の3層構造であり、第1電極集電体85は、電気化学リアクターセル75の第1電極層81の露出部81aにて、電気的に接続されている。   The reactor cell support 73 has a three-layer structure of a first electrode current collector 85, a separator 87, and a second electrode current collector 89 in the axial direction of the cell. The first electrode current collector 85 is an electrochemical cell. The exposed portion 81 a of the first electrode layer 81 of the reactor cell 75 is electrically connected.

詳しくは、リアクターセル支持体73は、前記図1に示す様に、平板の片面に電気化学リアクターセル75が嵌め込まれる格納溝91が平行に形成されたものであり、セルの軸方向に、第1電極集電体85、セパレータ87、第2電極集電体89が積層配置されたものである。なお、セパレータ87は、第1電極集電体85と第2電極集電体89を電気的に絶縁していればよく、1μm〜2mmの範囲内でどのような厚さであってもよい。   Specifically, as shown in FIG. 1, the reactor cell support 73 has a storage groove 91 into which a electrochemical reactor cell 75 is fitted in one side of a flat plate, and is formed in parallel with the axial direction of the cell. A one-electrode current collector 85, a separator 87, and a second electrode current collector 89 are stacked. The separator 87 may be any thickness within the range of 1 μm to 2 mm as long as the first electrode current collector 85 and the second electrode current collector 89 are electrically insulated.

また、第2電極集電体89は、第2電極層と電気的な接続がされており、その気孔率が10%以上の多孔体状組織を有している。
この電気化学リアクタースタック71は、隣り合うセル層状部77の第1電極集電体85と第2電極集電体89とが絶縁板79を介して直列接続されており、電気化学リアクタースタック71の上下方向(積層方向)から電気を取り出すことが可能となっている。
The second electrode current collector 89 is electrically connected to the second electrode layer, and has a porous structure with a porosity of 10% or more.
In this electrochemical reactor stack 71, the first electrode current collector 85 and the second electrode current collector 89 of adjacent cell layer portions 77 are connected in series via an insulating plate 79. Electricity can be extracted from the vertical direction (stacking direction).

なお、ここでは、第2電極層は、例えば第2電極層形成前の電気化学リアクターセル前駆体の電解質層83とリアクターセル支持体73との間に配置されるものであり、導通を確保するとともに、各電気化学リアクターセル75とリアクターセル支持体73とを接続(結合)している。   Here, the second electrode layer is disposed, for example, between the electrolyte layer 83 of the electrochemical reactor cell precursor and the reactor cell support 73 before the formation of the second electrode layer, and ensures conduction. At the same time, each electrochemical reactor cell 75 and the reactor cell support 73 are connected (coupled).

そして、上述した電気化学リアクタースタック71を用いた固体酸化物形燃料電池システム(電気化学リアクターシステム)では、リアクターセル支持体73を介して、X方向に空気を流し、Y方向に燃料ガスを流すことにより、発電を行うことができる。また、発電された電気は、例えば正極側の集電を下面から、負極側の集電を上面から取り出すことができる。   In the solid oxide fuel cell system (electrochemical reactor system) using the electrochemical reactor stack 71 described above, air flows in the X direction and fuel gas flows in the Y direction via the reactor cell support 73. Therefore, power generation can be performed. In addition, the generated electricity can be extracted, for example, from the current collector on the positive electrode side from the lower surface and the current collector on the negative electrode side from the upper surface.

b)次の本実施例の電気化学リアクタースタック71の製造方法について説明する。
例えば平均粒径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のNiO:50重量%、平均粒径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のGd0.2Ce0.81.9:39重量%、セルロース系バインダー:7重量%を、乾式ミキサーで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して更に30分混合した。
b) A method of manufacturing the electrochemical reactor stack 71 of the next embodiment will be described.
For example, NiO: 50% by weight with an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm), an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 : 39% by weight and cellulose binder: 7% by weight in a dry mixer for 1 hour after mixing for 1 hour with water, and then adding water to the powder. The external weight% was added and mixed for another 30 minutes.

この混合物を3本ロールに通した後に、作製した素地を1晩放置した。その後、前記素地を一軸油圧シリンダ型押出成形機にて押出成形を行った。
また、Gd0.2Ce0.81.9に対して、ブチラール系バインダー4外重量%、メチルエチルケトン100外重量%を加え、24時間混合してスラリーとし、そのスラリー中に前記押出成形によって形成した第1電極層成形体を浸漬した。これによって、第1電極層成形体の表面に電解質層の被膜を形成した。
After passing this mixture through three rolls, the prepared substrate was left overnight. Thereafter, the substrate was extruded with a uniaxial hydraulic cylinder type extruder.
The first electrode layer formed by the extrusion molding in Gr 0.2 Ce 0.8 O 1.9 was added with 4% by weight of butyral binder 4 and 100% by weight of methyl ethyl ketone and mixed for 24 hours. The molded body was immersed. As a result, an electrolyte layer coating was formed on the surface of the first electrode layer molded body.

その後、被膜を形成した第1電極層成形体(即ち第1電極層前駆体)を、大気中にて1400℃で1時間同時焼成して、電気化学リアクターセル前駆体を製造した。
一方、平均粒径10〜60μm(望ましくは20〜50μm、更に望ましくは30〜50μm)のLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83(LSCF粉末)93重量%、セルロース系バインダー:7重量%を、乾式ミキサーで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して更に30分混合した。
Then, the 1st electrode layer molded object (namely, 1st electrode layer precursor) in which the film was formed was simultaneously baked at 1400 degreeC for 1 hour in air | atmosphere, and the electrochemical reactor cell precursor was manufactured.
On the other hand, 93% by weight of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF powder) having an average particle size of 10 to 60 μm (desirably 20 to 50 μm, more desirably 30 to 50 μm), cellulose binder: 7% by weight, After mixing for 1 hour with a dry mixer, 14% by weight of water was added to the powder and mixed for another 30 minutes.

なお、LSCF粉末のような粗大粒子を得る方法としては、LSCF粉末(0.1〜2μm程度)を仮焼成した後、粒度調整して使用する方法、又は、LSCF粉末(0.1〜2μm程度)を転動造粒機やスプレードライなどを用いて球状粒子とし、仮焼成後使用する方法がある。   In addition, as a method of obtaining coarse particles such as LSCF powder, after calcination of LSCF powder (about 0.1 to 2 μm), the particle size is adjusted, or LSCF powder (about 0.1 to 2 μm) is used. ) Is formed into spherical particles using a rolling granulator, spray drying, or the like, and used after temporary firing.

次に、この混合物を3本ロールに通した後に、作製した素地を1晩放置した。その後、前記素地を一軸油圧シリンダ型押出成形機にて押出成形を行った。
次に、この成形体(即ち第2電極集電体89の前駆体)を、大気中にて1200〜1500℃で1〜3時間焼成した後、適当な長さに切断することで、リアクターセル支持体73の第2電極集電体89が得られた。
Next, after passing this mixture through three rolls, the prepared substrate was left overnight. Thereafter, the substrate was extruded with a uniaxial hydraulic cylinder type extruder.
Next, this molded body (that is, the precursor of the second electrode current collector 89) is fired in the atmosphere at 1200 to 1500 ° C. for 1 to 3 hours, and then cut into an appropriate length to thereby form a reactor cell. A second electrode current collector 89 of the support 73 was obtained.

また、上記手法により得たリアクターセル支持体73の第2電極集電体89の外寸(幅、厚さ、溝形状など)に合わせて、例えば平均粒径0.1〜1μm程度のLa0.69Ca0.31Cr0.983(ランタンクロマイト粉末)を使用し、第2電極集電体89の製造と同様な手法によって、リアクターセル支持体73の第1電極集電体85を得ることができた。 Further, in accordance with the outer dimensions (width, thickness, groove shape, etc.) of the second electrode current collector 89 of the reactor cell support 73 obtained by the above method, for example, La 0.69 having an average particle diameter of about 0.1 to 1 μm. Using Ca 0.31 Cr 0.98 O 3 (lanthanum chromite powder), the first electrode current collector 85 of the reactor cell support 73 could be obtained by the same method as the production of the second electrode current collector 89.

更に、リアクターセル支持体73のセパレータ87は、上記第1電極集電体85及び第2電極集電体89の外寸に合わせて、例えば平均粒径0.1〜2μmのマグネシア粉末を使用し、第1電極集電体85及び第2電極集電体89の製造と同様な手法によって得ることができた。   Furthermore, the separator 87 of the reactor cell support 73 uses, for example, magnesia powder having an average particle size of 0.1 to 2 μm in accordance with the outer dimensions of the first electrode current collector 85 and the second electrode current collector 89. The first electrode current collector 85 and the second electrode current collector 89 can be obtained by the same method.

また、例えば平均粒径0.1〜2μmのマグネシア粉末に対し、ブチラール系バインダー4外重量%、メチルエチルケトン100外重量%を加え、24時間混合してスラリーとし、テープキャスティングにて成形し、1200〜1400℃で1時間保持することで、シート状の絶縁板79を得ることができた。   Further, for example, butyral binder 4% by weight and methyl ethyl ketone 100% by weight are added to magnesia powder having an average particle size of 0.1 to 2 μm, mixed for 24 hours to form a slurry, and molded by tape casting. The sheet-like insulating plate 79 could be obtained by holding at 1400 ° C. for 1 hour.

これらの部材を、以下の手順にて組み立てることで、電気化学リアクタースタック71を得ることができる。
まず、平均粒径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のLSCF粉末に対して、バインダーとしてエチルセルロース:5外重量%、分散剤:1重量%、ブチルカルビトール:13外重量%を加え、3本ロールにて混合したペースト(導電性ペースト)を、スクリーン印刷にて第2電極集電体89の格納溝91が埋まるように塗布した。なお、このペーストが焼成されて第2電極層となる。
The electrochemical reactor stack 71 can be obtained by assembling these members in the following procedure.
First, with respect to LSCF powder having an average particle diameter of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm), ethyl cellulose as a binder: 5% by weight, dispersant: 1 Weight%, butyl carbitol: 13 wt% was added, and a paste (conductive paste) mixed by three rolls was applied by screen printing so that the storage groove 91 of the second electrode current collector 89 was filled. . This paste is baked to form the second electrode layer.

また、熱を加えることでガスシール材となるガラス粉末に対し、バインダーとしてエチルセルロース:5外重量%、分散剤:1重量%、ブチルカルビトール:13外重量%を加え、3本ロールにて混合したペースト(絶縁性ペースト)を、スクリーン印刷にてセパレータ87の格納溝91が埋まるように塗布した。   Moreover, ethyl cellulose: 5% by weight, dispersant: 1% by weight, and butyl carbitol: 13% by weight are added as binders to the glass powder that becomes a gas sealant by applying heat, and mixed by three rolls. The paste (insulating paste) was applied by screen printing so that the storage groove 91 of the separator 87 was filled.

更に、純銀粉末に対し、バインダーとしてエチルセルロース:5外重量%、分散剤:1重量%、ブチルカルビトール:13外重量%を加え、3本ロールにて混合したペースト(導電性ペースト)を、スクリーン印刷にて第1電極集電体85の格納溝91が埋まるように塗布した。   Furthermore, a paste (conductive paste) mixed with three rolls with ethyl cellulose: 5% by weight, dispersant: 1% by weight, butyl carbitol: 13% by weight as a binder to pure silver powder, It applied so that the storage groove | channel 91 of the 1st electrode electrical power collector 85 might be filled by printing.

そして、上記リアクターセル支持体73となる3部品(第1電極集電体85、セパレータ87、第2電極集電体89)を接触するように並べた状態で、各ペーストが充填された格納溝91内に、電気化学リアクターセル75の第1電極層81が第1電極集電体85と接続されるとともに、第2電極層が第2電極集電体89と接続されるように、電気化学リアクターセル75の前駆体を埋め込む。   The storage groove filled with each paste in a state where the three parts (first electrode current collector 85, separator 87, second electrode current collector 89) to be the reactor cell support 73 are arranged in contact with each other. 91, the first electrode layer 81 of the electrochemical reactor cell 75 is connected to the first electrode current collector 85 and the second electrode layer is connected to the second electrode current collector 89. The reactor cell 75 precursor is embedded.

更に、第2電極集電体89及びセパレータ87を覆うように、ガラスペーストをスクリーン印刷し、このガラスペーストにより絶縁板79が第2電極集電体89及びセパレータ87を覆うように貼り付ける。これにより、セル層状部77が構成される。   Further, a glass paste is screen-printed so as to cover the second electrode current collector 89 and the separator 87, and the insulating plate 79 is pasted with this glass paste so as to cover the second electrode current collector 89 and the separator 87. Thereby, the cell layer portion 77 is formed.

そして、隣り合うセル層状部77の第1電極集電体85と第2電極集電体89が接続されるように配置する際に、上記純銀ペーストを絶縁体79で被覆されていない第1電極集電体表面に塗布して各セル層状部77を積層し、1000℃で1時間保持することにより、電気化学リアクタースタック71が完成した。   Then, when the first electrode current collector 85 and the second electrode current collector 89 of the adjacent cell layer portions 77 are connected to each other, the first electrode that is not covered with the insulator 79 is covered with the pure silver paste. Each cell layer 77 was applied to the surface of the current collector, laminated, and held at 1000 ° C. for 1 hour, thereby completing the electrochemical reactor stack 71.

なお、電気化学リアクターセル75の第2電極層は、電気化学リアクターセル75をリアクターセル支持体73の格納溝91に嵌め込む前に、予めセル側(電解質層83の表面)に形成しておいてもよい。例えば、第1電極層成形体の表面に電解質層の被膜を形成し、更にこの皮膜の上に第2電極層材料のペーストを塗布し、その後焼成して電気化学リアクターセル75を形成してもよい。   The second electrode layer of the electrochemical reactor cell 75 is previously formed on the cell side (the surface of the electrolyte layer 83) before the electrochemical reactor cell 75 is fitted into the storage groove 91 of the reactor cell support 73. May be. For example, a film of an electrolyte layer is formed on the surface of the first electrode layer molded body, a paste of the second electrode layer material is further applied on the film, and then fired to form the electrochemical reactor cell 75. Good.

次に、実施例2の電気化学リアクタースタック及びその製造方法について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
a)まず、本実施例の電気化学リアクタースタックの構成について説明する。
Next, the electrochemical reactor stack of Example 2 and the manufacturing method thereof will be described, but the description of the same contents as in Example 1 will be omitted.
a) First, the structure of the electrochemical reactor stack of this example will be described.

本実施例の電気化学リアクタースタックは、電気化学リアクターセルの接続方法を変更したものである。つまり、前記実施例1では、セル層状部における電気化学リアクターセルは、一平面に平行に配置されるのみであったが、本実施例では電気化学リアクターセルが立体的に配置されたセル層状部が使用される。以下、詳細に説明する。   The electrochemical reactor stack of this example is obtained by changing the connection method of the electrochemical reactor cell. That is, in Example 1, the electrochemical reactor cell in the cell layer portion was only arranged in parallel with one plane, but in this embodiment, the cell layer portion in which the electrochemical reactor cells were arranged three-dimensionally. Is used. Details will be described below.

本実施例では、図11に示す様に、多数の円筒状の電気化学リアクターセル101が、(前記実施例1のリアクターセル支持体の第2電極集電体と同様な)格納溝103を有する第2電極集電体105上に、その軸方向に平行に配置されて左右方向に並んで第2電極集電体層状部107が形成されており、更にこの第2電極集電体層状部107が上下方向に平行に積層されて、第2電極集電体層状部積層体109が形成されている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 11, a large number of cylindrical electrochemical reactor cells 101 have storage grooves 103 (similar to the second electrode current collector of the reactor cell support of the first embodiment). A second electrode current collector layered portion 107 is formed on the second electrode current collector 105 so as to be parallel to the axial direction and aligned in the left-right direction, and this second electrode current collector layered portion 107 is further formed. Are stacked in parallel in the vertical direction to form a second electrode current collector layered portion laminate 109.

この第2電極集電体層状部積層体109のセルの軸方向には、多数の電気化学リアクターセル101が貫通する板状のセパレータ111が配置されており、更に、このセパレータ111の(セルの軸方向の)外側には、多数の電気化学リアクターセル101が貫通する板状の第1電極集電体113が配置されている。   In the axial direction of the cell of the second electrode current collector layered portion laminate 109, a plate-shaped separator 111 through which a large number of electrochemical reactor cells 101 pass is disposed. On the outside (in the axial direction), a plate-like first electrode current collector 113 through which a number of electrochemical reactor cells 101 pass is disposed.

従って、第2電極集電体層状部積層体109とセパレータ111と第1電極集電体113とにより、3層構造のセル層状部115が構成されている。なお、この場合には、セル層状部115から電気化学リアクターセル101を除いたものが、リアクターセル支持体である。   Accordingly, the second electrode current collector layered portion laminate 109, the separator 111, and the first electrode current collector 113 constitute a cell layer portion 115 having a three-layer structure. In this case, the reactor cell support is obtained by removing the electrochemical reactor cell 101 from the cell layer portion 115.

本実施例では、セル層状部115は、絶縁板117により絶縁されながら同図の上下方向に積層されて電気化学リアクタースタック119が構成されている。
詳しくは、電気化学リアクタースタック119は、隣り合うセル層状部115の第1電極集電体113と第2電極集電体層状部積層体109とが絶縁板117を介して直列接続されており、電気化学リアクタースタック119の上下方向(積層方向)から電気を取り出すことが可能となっている。
In the present embodiment, the cell layer portion 115 is laminated in the vertical direction of the figure while being insulated by the insulating plate 117 to constitute an electrochemical reactor stack 119.
Specifically, in the electrochemical reactor stack 119, the first electrode current collector 113 and the second electrode current collector layered body laminate 109 of the adjacent cell layered parts 115 are connected in series via an insulating plate 117, and Electricity can be taken out from the vertical direction (stacking direction) of the electrochemical reactor stack 119.

b)次の本実施例の電気化学リアクタースタックの製造方法について説明する。
使用する材料や製造機器やその製造手順等は、前記実施例1と同様であるので、その説明は省略する。
b) A method for producing the electrochemical reactor stack of the following embodiment will be described.
The materials used, the manufacturing equipment, the manufacturing procedure, and the like are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

特に、本実施例では、第2電極集電体層状部積層体109に用いる第2電極集電体105は、前記実施例1と同様であるが、セパレータ111としては、第2電極集電体層状部積層体109のセルの軸方向の形状に合わせて平板形状に形成されるとともに、電気化学リアクターセル109が貫通する多数の格納孔121があけられている。また、第1電極集電体113もセパレータ111と同様に平板形状に形成されるとともに、電気化学リアクターセル101が貫通する多数の格納孔123があけられている。   In particular, in this example, the second electrode current collector 105 used for the second electrode current collector layered portion laminate 109 is the same as that in the first example, but the separator 111 is the second electrode current collector. The layered portion 109 is formed in a flat plate shape in accordance with the shape of the cell in the axial direction, and a large number of storage holes 121 through which the electrochemical reactor cell 109 passes are formed. The first electrode current collector 113 is also formed in a flat plate shape like the separator 111, and a large number of storage holes 123 through which the electrochemical reactor cell 101 passes are formed.

これらの部材を、以下の手順にて組み立てることで、電気化学リアクタースタック119を得ることができる。
まず、実施例1と同様なLSCFを主成分とするペーストを、第2電極集電体105の格納溝103が埋まるように塗布した。これに、電気化学リアクターセル101の第2電極層(図示せず)が第2電極集電体105と接続されるように、電気化学リアクターセル101の前駆体を埋め込んで第2電極集電体層状部107とする。この第2電極集電体層状部107を積層し、第2電極集電体層状部積層体109を得る。
The electrochemical reactor stack 119 can be obtained by assembling these members in the following procedure.
First, a paste mainly composed of LSCF as in Example 1 was applied so that the storage groove 103 of the second electrode current collector 105 was filled. The precursor of the electrochemical reactor cell 101 is embedded in the second electrode current collector so that a second electrode layer (not shown) of the electrochemical reactor cell 101 is connected to the second electrode current collector 105. The layered portion 107 is used. The second electrode current collector layered portion 107 is laminated to obtain a second electrode current collector layered portion laminate 109.

次に、多数の格納孔121を有するセパレータ111に、前記実施例1と同様なガラスを主成分とするペーストを塗布し、セパレータ111の格納孔121に電気化学リアクターセル101を通して、セパレータ111を第2電極集電体層状部積層体109に貼り付ける。   Next, a glass-based paste similar to that in Example 1 is applied to the separator 111 having a large number of storage holes 121, and the separator 111 is inserted into the storage holes 121 of the separator 111 through the electrochemical reactor cell 101. Affixed to the two-electrode current collector layered portion laminate 109.

同様に、多数の格納孔123を有する第1電極集電体113に、前記実施例1と同様な純銀を主成分とするペーストを塗布し、第1電極集電体113の格納孔123に電気化学リアクターセル101を通して、第1電極集電体113をセパレータ111に貼り付ける。これにより、セル層状部115が構成される。   Similarly, a paste mainly composed of pure silver as in the first embodiment is applied to the first electrode current collector 113 having a large number of storage holes 123, and the storage holes 123 of the first electrode current collector 113 are electrically charged. The first electrode current collector 113 is attached to the separator 111 through the chemical reactor cell 101. Thereby, the cell layer portion 115 is formed.

そして、隣り合うセル層状部115の第1電極集電体113と第2電極集電体層状部積層体109とが、電気的に直列に接続されるように配置する際に、上記純銀ペーストを絶縁体で被覆されていない第1電極集電体表面に塗布して各セル層状部115を積層し、1000℃で1時間保持することにより、電気化学リアクタースタック119が完成した。   When the first electrode current collector 113 and the second electrode current collector layered portion laminate 109 of the adjacent cell layered portions 115 are arranged so as to be electrically connected in series, the pure silver paste is used. Each cell layer 115 was applied to the surface of the first electrode current collector that was not covered with the insulator, and was held at 1000 ° C. for 1 hour, thereby completing the electrochemical reactor stack 119.

次に、実施例3の電気化学リアクタースタック及びその製造方法について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
a)まず、本実施例の電気化学リアクタースタックの構成について説明する。
Next, the electrochemical reactor stack and the manufacturing method thereof according to Example 3 will be described, but the description of the same contents as in Example 1 will be omitted.
a) First, the structure of the electrochemical reactor stack of this example will be described.

図12に示す本実施例の電気化学リアクタースタック131では、そのセル層状部133は、図13に示す様に、電気化学リアクターセル135を同図の下方から支持する支持体137と、電気化学リアクターセル135の(図13の右側の)先端側をその上方から覆うカバー139とを用いている。   In the electrochemical reactor stack 131 of this embodiment shown in FIG. 12, the cell layered portion 133 includes a support 137 for supporting the electrochemical reactor cell 135 from the lower side of the same figure, as shown in FIG. A cover 139 that covers the tip side of the cell 135 (on the right side in FIG. 13) from above is used.

詳しくは、チューブ型電気化学リアクターセル135は、第1電極層141の外側表面に電解質層143が積層されるとともに、第1電極層141が電解質層143の軸方向端部で(電解質層143から)露出している。   Specifically, in the tubular electrochemical reactor cell 135, the electrolyte layer 143 is laminated on the outer surface of the first electrode layer 141, and the first electrode layer 141 is disposed at the axial end of the electrolyte layer 143 (from the electrolyte layer 143). ) Exposed.

この電気化学リアクターセル135は、通気性を有する多孔質絶縁体からなる(例えばアルミナ等のセラミックス製の)支持体137により、複数個配列された状態で一方側より支持されている。   The electrochemical reactor cell 135 is supported from one side in a state where a plurality of the electrochemical reactor cells 135 are arranged by a support 137 (for example, made of ceramics such as alumina) made of a porous insulator having air permeability.

また、電気化学リアクターセル135は、同図の上方より、第2電極集電体145によって覆われており、この第2電極集電体145は、導電性ペーストを塗布して焼結した通気性を有する部材である。なお、この導電性ペーストの材料としては、主として、実施例1、2において第二電極層として用いられた材料と同様にLSCF粉末を用いることができる。   In addition, the electrochemical reactor cell 135 is covered with a second electrode current collector 145 from above in the figure, and this second electrode current collector 145 is made of a breathable material that is coated with a conductive paste and sintered. It is a member which has. As the material of the conductive paste, LSCF powder can be used mainly in the same manner as the material used as the second electrode layer in Examples 1 and 2.

一方、第1電極層141の露出部141aは、同図の上方より、例えば緻密な絶縁性を有する(例えば絶縁性ガラス製の)カバー139により覆われている。
また、第1電極層141の露出部141aは、同図の下方より、第1電極集電体147により覆われており、この第1電極集電体147は、導電性ペーストを塗布して焼結した緻密な部材である。なお、この導電性ペーストの材料としては、主として、実施例1、2において第一電極層と第一電極層集電体の接続に用いた材料と同様に純銀粉末を用いることができる。
On the other hand, the exposed portion 141a of the first electrode layer 141 is covered with a cover 139 having a dense insulating property (for example, made of insulating glass), for example, from above in the drawing.
In addition, the exposed portion 141a of the first electrode layer 141 is covered with a first electrode current collector 147 from below in the figure, and the first electrode current collector 147 is coated with a conductive paste and baked. It is a dense member. In addition, as a material of this conductive paste, pure silver powder can be mainly used in the same manner as the material used for connecting the first electrode layer and the first electrode layer current collector in Examples 1 and 2.

更に、第1電極集電体147と第2電極集電体145との間は絶縁性を有するセパレータ149により電気的に絶縁されている。このセパレータ149は、セラミックス、ガラス等の絶縁ペーストを塗布した後に焼結した部材である。なお、両集電体145、147間の絶縁が可能であれば、このセパレータ149は省略可能である。   Further, the first electrode current collector 147 and the second electrode current collector 145 are electrically insulated by a separator 149 having an insulating property. The separator 149 is a member sintered after applying an insulating paste such as ceramics or glass. The separator 149 can be omitted if the current collectors 145 and 147 can be insulated.

b)次の本実施例の電気化学リアクタースタック131の製造方法について説明する。
使用する材料等は、前記実施例1と同様なものは、その説明は省略する。
本実施例では、図12に示す様に、支持体137の格納溝(前記実施例1と同様な格納溝)151に、同図の上方より、電気化学リアクターセル135の露出部141aと反対側(被覆側)を嵌め込む。
b) A method for manufacturing the electrochemical reactor stack 131 of this embodiment will be described.
The materials used are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
In the present embodiment, as shown in FIG. 12, the storage groove 151 of the support 137 (the storage groove similar to that of the first embodiment) 151 is placed on the side opposite to the exposed portion 141a of the electrochemical reactor cell 135 from the upper side of the same figure. Fit the (cover side).

また、電気化学リアクターセル135の露出部141aに、カバー139を嵌め込む。つまり、カバー139にも前記と同様な格納溝153が形成してあるので、各露出部141aを各格納溝153に合わせて嵌め込む。なお、支持体137の格納溝151とカバー139の格納溝153は、互いに向かい合うようにしても用いられる(但し軸方向にはずれている)。   Further, the cover 139 is fitted into the exposed portion 141 a of the electrochemical reactor cell 135. That is, since the storage groove 153 similar to the above is formed also in the cover 139, each exposed portion 141a is fitted to each storage groove 153. Note that the storage groove 151 of the support 137 and the storage groove 153 of the cover 139 are also used so as to face each other (however, they are shifted in the axial direction).

そして、電気化学リアクターセル135の被覆側を導電性ペーストで覆い、それとともに、電気化学リアクターセル135の露出部141aも導電性ペーストで覆う。
なお、(セパレータ149となる)絶縁ペーストは、両導電性ペーストを塗布するまえに塗布することが好ましいが、絶縁が可能であれば、いつ塗布してよい。
Then, the coated side of the electrochemical reactor cell 135 is covered with a conductive paste, and the exposed portion 141a of the electrochemical reactor cell 135 is also covered with the conductive paste.
Note that the insulating paste (which becomes the separator 149) is preferably applied before applying both conductive pastes, but may be applied whenever insulation is possible.

次に、このようにして得られたセル層状部133を、前記実施例1と同様に、隣り合うセル層状部133が電気的に直列に接続されるように、その向きを逆にして積層配置し、同様な焼成温度で焼成することにより、本実施例の電気化学リアクタースタック131を得た。   Next, the cell layer portions 133 obtained in this way are stacked in the opposite direction so that the adjacent cell layer portions 133 are electrically connected in series as in the first embodiment. And the electrochemical reactor stack 131 of the present Example was obtained by baking at the same baking temperature.

本実施例では、前記実施例より一層構造を簡易化できるという利点がある。
なお、本実施例では、第2電極集電体145が第2電極層の機能を兼ねているが、これとは別に、予め電解質層143の外側表面に第2電極層(図示せず)を形成しておき、この第2電極層を覆うように(即ち第2電極層の外側表面に)第2電極集電体145を形成してもよい。この第2電極層の形成方法としては、例えば前記実施例1、2等と同様に、導電性ペーストを塗布し焼成することにより形成できる。
In the present embodiment, there is an advantage that the structure can be further simplified compared to the above embodiment.
In this embodiment, the second electrode current collector 145 also functions as the second electrode layer. However, separately from this, a second electrode layer (not shown) is provided on the outer surface of the electrolyte layer 143 in advance. The second electrode current collector 145 may be formed so as to cover the second electrode layer (that is, on the outer surface of the second electrode layer). As a method for forming the second electrode layer, for example, similarly to the first and second embodiments, the conductive paste can be applied and baked.

次に、実施例4について説明するが、前記実施例1〜3と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例1〜3の固体酸化物形燃料電池スタックとして用いられる電気化学リアクタースタックとは異なり、固体酸化物形(固体電解質形)リアクター(以下単にリアクター(反応器)とも記す)スタックに関するものであるが、その構造は、基本的に、固体酸化物形燃料電池スタックとほぼ同様であり、主として、その材料と用途が異なる。
Next, although Example 4 is demonstrated, description of the content similar to the said Examples 1-3 is abbreviate | omitted.
Unlike the electrochemical reactor stack used as the solid oxide fuel cell stack of Examples 1 to 3, the present example is also referred to as a solid oxide (solid electrolyte type) reactor (hereinafter simply referred to as a reactor (reactor)). The structure is basically the same as that of the solid oxide fuel cell stack, and the materials and applications are mainly different.

本実施例における電気化学リアクタースタック(セラミックスリアクター)とは、固体酸化物が、ある特定の元素を通過する特性を持ち、透過したガスを用いて反応を促したり、または、複数のガス種の混合物から特定元素を分離したり、反応を目的とするものである。   The electrochemical reactor stack (ceramic reactor) in the present embodiment is a solid oxide having a characteristic of passing a specific element, and promotes a reaction using a permeated gas or a mixture of a plurality of gas species. It is intended to separate specific elements from the reaction or to react.

この電気化学リアクタースタック(従って電気化学リアクタースタックを用いた電気化学リアクターシステム)に関しては、電気化学リアクタースタックに通電し、強制的に反応・分離を行うものであってもよい。また、通電しなくとも、材料そのものが持つ触媒能やイオン選択性により、反応や分離ができるものであってもよい。   With regard to this electrochemical reactor stack (and thus an electrochemical reactor system using the electrochemical reactor stack), the electrochemical reactor stack may be energized to forcibly react and separate. Moreover, even if it does not supply with electricity, what can react and isolate | separate by the catalytic ability and ion selectivity which material itself has may be sufficient.

これらは、いずれについても、リアクター内部にガスが効率良く拡散することが重要であるため、反応や分離する方法や、反応させるもの、分離するものの種類を選ばない。
前記電気化学リアクタースタックは、以下に述べる様に、NOx浄化技術や、水素製造技術などに適用できる。
In any of these, since it is important that the gas diffuses efficiently inside the reactor, the reaction or separation method, the type of reaction, or the type of separation is not selected.
The electrochemical reactor stack can be applied to NOx purification technology, hydrogen production technology, and the like as described below.

a)例えば電気化学リアクタースタックの内側電極(例えば固体酸化物形燃料電池スタックと同様な燃料極)に、ディーゼルエンジン自動車の排ガスを投入し強制的に通電すると、排ガス中に含まれるNOxが電極上で酸素原子を放出するため、浄化することができる。   a) For example, when exhaust gas from a diesel engine vehicle is introduced into an inner electrode of an electrochemical reactor stack (for example, a fuel electrode similar to a solid oxide fuel cell stack) and forcibly energized, NOx contained in the exhaust gas is deposited on the electrode. In order to release oxygen atoms, it can be purified.

この場合、電気化学リアクタースタックの材料構成として、NOx導入側電極としては、Ni、Ptなどが考えられ、固体酸化物としては酸素イオン導電性を有するものであればいずれでも良く ジルコニア系電解質、セリア系電解質、ランタンガレード系電解質いずれであっても良い。対極としては、酸素イオンを酸素化できる電極であれば良く、Pt、Agのほかに、前記固体酸化物形燃料電池スタックで用いられる空気極(例えば外側電極)といった組み合わせが考えられる。   In this case, the material structure of the electrochemical reactor stack may be Ni, Pt, etc. as the NOx introduction side electrode, and any solid oxide having oxygen ion conductivity may be used. Zirconia-based electrolyte, ceria Either a system electrolyte or a lanthanum garade electrolyte may be used. The counter electrode may be any electrode that can oxygenate oxygen ions. In addition to Pt and Ag, combinations such as an air electrode (for example, an outer electrode) used in the solid oxide fuel cell stack can be considered.

従って、本実施例では、前記図8と同様なリアクタースタックを用い、例えば前記図8のX方向に排ガスを供給すると、NOxを含むガスは、リアクターの内側電極により窒素と酸素に分解され、X方向のガス出口においては、NOx量が低下し、分解された窒素を含むガスを取り出すことができる。   Therefore, in this embodiment, when the reactor stack similar to that in FIG. 8 is used and exhaust gas is supplied in the X direction of FIG. 8, for example, the gas containing NOx is decomposed into nitrogen and oxygen by the inner electrode of the reactor, At the gas outlet in the direction, the amount of NOx decreases and a gas containing decomposed nitrogen can be taken out.

b)例えばメタンなどのガスを高温化で水素化可能な触媒(例えば内側電極)を用い、固体酸化物層(膜)に水素イオン導電性を有する膜を用いた場合、メタン側と水素取出側にガス差圧をつけることで水素を取り出し可能な電気化学リアクタースタック(従って電気化学リアクターシステム)として使用できる。   b) For example, when a catalyst capable of hydrogenating a gas such as methane at a high temperature (for example, an inner electrode) is used and a membrane having hydrogen ion conductivity is used for the solid oxide layer (membrane), the methane side and the hydrogen extraction side It can be used as an electrochemical reactor stack (and hence an electrochemical reactor system) that can extract hydrogen by applying a differential pressure to the gas.

この電気化学リアクタースタックにおいては、メタンなどを改質する触媒(従って電極)としては、Ni、Cu、Ptなどの金属が考えられ、また、水素透過能を有する固体酸化物の薄膜としては、パラジウム金属膜やパラジウムとPt、Au、Ag、Cu、Niなどのうち少なくとも一元素以上との合金、BaCeO3系のペロブスカイ構造を有する電解質を採用できる。更に、多孔質の板状体としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタニア又はこれらの混合物、および化合物のうちいずれかを採用できる。 In this electrochemical reactor stack, metals such as Ni, Cu, and Pt can be considered as catalysts for reforming methane (and thus electrodes), and palladium oxide as a thin film of solid oxide having hydrogen permeability. A metal film, an alloy of palladium and at least one element of Pt, Au, Ag, Cu, Ni, or the like, or an electrolyte having a BaCeO 3 -based perovskite structure can be employed. Furthermore, any one of alumina, zirconia, magnesia, titania, a mixture thereof, and a compound can be adopted as the porous plate-like body.

この場合、差圧により水素取出しが可能であるため、対極は存在せず、ガス透過性を有した構造で電気化学リアクタースタックとして形状が維持できれば、いずれの材料も可能である。   In this case, since the hydrogen can be taken out by the differential pressure, there is no counter electrode, and any material can be used as long as the shape of the electrochemical reactor stack can be maintained with a gas permeable structure.

c)更に、本実施例は、上記NOx浄化、水素製造技術と同様に、電気化学リアクタースタックに強制的に電流を印加して、目的とする生成物を得る方法(合成ガス製造技術)に、適用できる。主には、固体酸化物形燃料電池スタックの逆反応を利用しながら、有機燃料を合成する技術である。   c) Further, in the present embodiment, as in the above-described NOx purification and hydrogen production technology, a method (synthesis gas production technology) in which a target product is obtained by forcibly applying an electric current to the electrochemical reactor stack, Applicable. This is mainly a technology for synthesizing an organic fuel while utilizing the reverse reaction of a solid oxide fuel cell stack.

尚、本発明は前記実施例等になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。   Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

(a)は第1実施形態のリアクターセル支持体を示す斜視図、(b)はそのセル層状部を示す斜視図、(c)はそのセル層状部を示す平面図である。(A) is a perspective view which shows the reactor cell support body of 1st Embodiment, (b) is a perspective view which shows the cell layer part, (c) is a top view which shows the cell layer part. 第1実施形態の電気化学リアクターセルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the electrochemical reactor cell of 1st Embodiment. チューブ長さと効率ロスを示すグラフである。It is a graph which shows tube length and efficiency loss. 第1電極層厚みと効率ロスを示すグラフである。It is a graph which shows the 1st electrode layer thickness and efficiency loss. (a)は第2実施形態のリアクターセル支持体を示す斜視図、(b)はそのセル層状部を示す斜視図、(c)はそのセル層状部の内部構造を平面に沿って破断して示す説明図である。(A) is a perspective view showing a reactor cell support according to the second embodiment, (b) is a perspective view showing the cell layered portion, and (c) is a fracture of the internal structure of the cell layered portion along a plane. It is explanatory drawing shown. 第2実施形態のリアクターセル支持体を用いた電気化学リアクタースタックの製造手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing procedure of the electrochemical reactor stack using the reactor cell support body of 2nd Embodiment. 図6のA−A’断面(セル部分は外周を示す)にて電気化学リアクタースタックの電気の流れを示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory view showing the flow of electricity in the electrochemical reactor stack in the A-A ′ cross section (cell portion shows the outer periphery) in FIG. 6. 電気化学リアクタースタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows an electrochemical reactor stack. (a)は第3実施形態のリアクターセル支持体の第2電極集電体を示す説明図、(b)はそのセル層状部を示す斜視図、(c)は電気化学リアクタースタックを示す斜視図である。(A) is explanatory drawing which shows the 2nd electrode electrical power collector of the reactor cell support body of 3rd Embodiment, (b) is a perspective view which shows the cell layer part, (c) is a perspective view which shows an electrochemical reactor stack. It is. 実施例1の電気化学リアクタースタックの製造方法を示す説明図である。2 is an explanatory view showing a method for producing the electrochemical reactor stack of Example 1. FIG. 実施例2の電気化学リアクタースタックの製造方法を示す説明図である。6 is an explanatory view showing a method for producing the electrochemical reactor stack of Example 2. FIG. 実施例3の電気化学リアクタースタックの製造方法を示す説明図である。6 is an explanatory view showing a method for producing the electrochemical reactor stack of Example 3. FIG. 実施例3の電気化学リアクタースタックの図12のB−B’断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view of the electrochemical reactor stack of Example 3 taken along the line B-B ′ of FIG. 12.

符号の説明Explanation of symbols

1、21、51、73、137…リアクターセル支持体(支持体)
2、22、77、115、133…セル層状部
3、23、55、85、113、147…第1電極集電体
5、25、57、89、105、145…第2電極集電体
7、27、59、87、111、149…セパレータ
9、29、53、75、101、135…電気化学リアクターセル
11、91、103、151、153…格納溝
13、33、81、141…第1電極層
15、35、83、143…電解質層
17、37…第2電極層
31、121、123…格納孔
39、61、79、117…絶縁板
41、63、71、119、131…電気化学リアクタースタック
107…第2電極集電体層状部
139…カバー
1, 21, 51, 73, 137 ... Reactor cell support (support)
2, 22, 77, 115, 133 ... cell layered portion 3, 23, 55, 85, 113, 147 ... first electrode current collector 5, 25, 57, 89, 105, 145 ... second electrode current collector 7 27, 59, 87, 111, 149 ... Separator 9, 29, 53, 75, 101, 135 ... Electrochemical reactor cell 11, 91, 103, 151, 153 ... Storage groove 13, 33, 81, 141 ... First Electrode layer 15, 35, 83, 143 ... Electrolyte layer 17, 37 ... Second electrode layer 31, 121, 123 ... Storage hole 39, 61, 79, 117 ... Insulating plate 41, 63, 71, 119, 131 ... Electrochemical Reactor stack 107 ... Second electrode current collector layered portion 139 ... Cover

Claims (10)

電解質層を挟んで第1電極層と第2電極層とが積層された多層構造のチューブ型の複数の電気化学リアクターセルと、
前記第1電極層に電気的に接続される第1電極集電体と、前記第2電極層に電気的に接続される第2電極集電体と、前記第1電極集電体と前記第2電極集電体との間に配置されて前記第1電極集電体と前記第2電極集電体とを絶縁するセパレータと、が一体に構成されたリアクターセル支持体と、
を備えた電気化学リアクタースタックであって、
前記リアクターセル支持体は、平板状で表面に複数の溝が並列に設けられものであり、
前記リアクターセル支持体の複数の溝のそれぞれに、前記複数の電気化学リアクターセルの各電気化学リアクターセルがそれぞれ嵌められて、前記リアクターセル支持体に前記複数の電気化学リアクターセルが並列に配置され層状のセル層状部が構成されるとともに、
前記セル層状部が、複数層積層されたスタック構造を有し、
更に、前記第1電極層は、前記電気化学リアクターセルの電解質層の内側に形成されるとともに、該電解質層の軸方向の一部で該電解質層から露出し、且つ、前記第2電極層は、前記電解質層の外側表面に形成されており、
しかも、前記第1電極集電体は、前記第1電極層の露出部分にて電気的に接続され、且つ、前記第2電極集電体は、前記第2電極層の外側表面にて電気的に接続されていることを特徴とする電気化学リアクタースタック。
A plurality of tube-type electrochemical reactor cells having a multilayer structure in which a first electrode layer and a second electrode layer are laminated with an electrolyte layer interposed therebetween;
A first electrode current collector electrically connected to the first electrode layer; a second electrode current collector electrically connected to the second electrode layer; the first electrode current collector; A reactor cell support in which a separator disposed between a two-electrode current collector and insulating the first electrode current collector and the second electrode current collector is configured integrally;
An electrochemical reactor stack comprising:
The reactor cell support is for a plurality of grooves on a surface which is shaped like a flat plate provided in parallel,
The electrochemical reactor cells of the plurality of electrochemical reactor cells are respectively fitted into the plurality of grooves of the reactor cell support, and the plurality of electrochemical reactor cells are arranged in parallel on the reactor cell support. A layered cell layered portion is formed,
The cell layer portion has a stack structure in which a plurality of layers are stacked,
Furthermore, the first electrode layer is formed inside the electrolyte layer of the electrochemical reactor cell, is exposed from the electrolyte layer at a part of the electrolyte layer in the axial direction, and the second electrode layer is , Formed on the outer surface of the electrolyte layer,
In addition, the first electrode current collector is electrically connected at the exposed portion of the first electrode layer, and the second electrode current collector is electrically connected at the outer surface of the second electrode layer. Electrochemical reactor stack characterized by being connected to
少なくとも前記第2電極集電体は、通気性を有するとともに、10%以上の多孔度を有することを特徴とする前記請求項に記載の電気化学リアクタースタック。 The electrochemical reactor stack according to claim 1 , wherein at least the second electrode current collector has air permeability and has a porosity of 10% or more. 前記第1電極層又は第2電極層が燃料極である場合には、その燃料極側の第1電極集電体又は第2電極集電体の集電体材料が、La1-xxCr1-yy3(A=Sr、Ca、Mg)(B=Ni、Co、Mn,Fe)(x、y=0〜1)、ステンレス鋼、金属合金、金属・酸化物サーメットのいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電気化学リアクタースタック。 When the first electrode layer or the second electrode layer is a fuel electrode, the current collector material of the first electrode current collector or the second electrode current collector on the fuel electrode side is La 1-x A x. cr 1-y B y O 3 (a = Sr, Ca, Mg) (B = Ni, Co, Mn, Fe) (x, y = 0~1), stainless steel, metal alloys, metal-oxide cermet electrochemical reactor stack according be configured to Motomeko 1 or 2 you characterized by either. 前記第1電極層又は第2電極層が空気極である場合には、その空気極側の第1電極集電体又は第2電極集電体の集電体材料が、Ag、La、Sr、Mn、Co、Fe、Sm、Ce、Pr、Nd、Ca、Ba、Ni、Mgの元素、及びこれらの元素を1種以上含む酸化物化合物のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタック。 When the first electrode layer or the second electrode layer is an air electrode, the current collector material of the first electrode current collector or the second electrode current collector on the air electrode side is Ag, La, Sr, you Mn, Co, Fe, Sm, Ce, Pr, Nd, Ca, Ba, Ni, elements Mg, and characterized by being constituted by any of an oxide compound containing at least one of these elements electrical chemical reactor stack according to any one of Motomeko 1-3. 前記セパレータの材料が、電気絶縁性を有するガラス又はセラミックスであることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタック。 Electrochemical reactor stack according to any one of the claims 1-4, wherein the material of the separator is a glass or ceramic having electrical insulating properties. 前記リアクターセル支持体同士が、一部に絶縁性部材を挟みながら、電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタック。 The reactor cell support each other, while sandwiching the partially insulating member, electrochemical reactor of electrically according to any one of Motomeko 1-5 you characterized in that it is connected in series stack. 隣り合う前記リアクターセル支持体において、一方のリアクターセル支持体の第1電極集電体と他方のリアクターセル支持体の第2電極集電体とが、電気的に接続されていることを特徴とする請求項に記載の電気化学リアクタースタック。 In the adjacent reactor cell support, the first electrode current collector of one reactor cell support and the second electrode current collector of the other reactor cell support are electrically connected. electrochemical reactor stack according to Motomeko 6 you. 前記リアクターセル支持体が6面体構造であり、この6面体の向かい合う両面から前記電気化学リアクターセルの両端が突出して固定されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタック。 The reactor cell support is a hexahedral structure, any one of Motomeko 1-7 characterized in that both ends of the electrochemical reactor cell is fixed to protrude from both surfaces of opposing this hexahedron Electrochemical reactor stack as described in 1. 前記請求項1〜のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタックを用いた電気化学リアクターシステムであって、
運転温度が650℃以下であり、電気化学反応によって電流を取り出すことを特徴とする電気化学リアクターシステム。
Wherein an electrochemical reactor system using an electrochemical reactor stack according to any one of claims 1-8,
An electrochemical reactor system having an operating temperature of 650 ° C. or lower and taking out an electric current by an electrochemical reaction.
前記請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気化学リアクタースタックを用いた電気化学リアクターシステムであって、
前記電気化学リアクターシステムが、固体酸化物形燃料電池、排ガス浄化装置、水素製造装置、及び合成ガス製造装置のいずれかに用いられるものであることを特徴とする電気化学リアクターシステム。
An electrochemical reactor system using the electrochemical reactor stack according to any one of claims 1 to 8,
The electrochemical reactor system, the solid oxide fuel cell, the exhaust gas purifying apparatus, the hydrogen production apparatus, and synthetic gas chemistry reactor system electrostatic you characterized in that for use in any of the gas production system.
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