JP6110247B2

JP6110247B2 - 電解セルスタック装置および電解装置

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Publication number: JP6110247B2
Application number: JP2013153690A
Authority: JP
Inventors: 晋平白石; 高橋　成門; 成門高橋; 孝小野
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Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-07-24
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Description

本発明は、電解セルスタック装置および電解装置に関する。

従来、水素（Ｈ_２）を製造する技術として高温水蒸気電解法が提唱されている。この高温水蒸気電解法とは、高温の水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ_２）とを生成する技術であり、電解セル（ＳＯＥＣ）に水蒸気と電圧とを付与することで、水素を生成することができる（例えば、特許文献１参照）。

そして、１本の電解セルでは水素生成量が少ないため、水素生成量を増加させるため、複数の電解セルをスタック化する必要がある。また、スタック化したセルスタックに、水蒸気を含有するガスを導入する導入管、および生成した水素を含有するガスを導出する導出管を接続する必要がある。

特開２０１０−６５２７１号公報

水蒸気を含有するガスをセルスタックに導入する導入管、および生成した水素を含有するガスをセルスタックから導出する導出管の一端部は電解装置内に固定され、その他端部がセルスタックに接続固定されていたため、高温に曝された導入管、導出管の熱膨張等により、導入管、導出管とセルスタックとの接続部に応力集中が生じ、クラック等が発生するおそれがあった。

本発明は、導入管、導出管とセルスタックとの接続部における応力集中を低減できる電解セルスタック装置および電解装置を提供することを目的とする。

本発明の電解セルスタック装置は、ガスタンクに上方に延びるように往路側セルおよび復路側セルを配列してなる複数のセルスタックユニットを、前記往路側セルと前記復路側セルとが交互に位置するように配列してなるセルスタックと、一方の前記セルスタックユニットの往路側セルの上端部と該一方のセルスタックユニットに隣接する他方の前記セルスタックユニットの復路側セルの上端部とを連結する連通部材と、前記セルスタックにおける前記セルスタックユニットの配列方向両端に位置する前記往路側セルおよび前記復路側セルの上端部にそれぞれ連結された、水蒸気を含有するガスを導入する導入管および水
素を含有するガスを導出する導出管とを具備し、前記導入管および前記導出管は、前記往路側セルおよび前記復路側セルの上端部に設けられた前記連通部材にそれぞれ連結されていることを特徴とする。

本発明の電解装置は、上記の電解セルスタック装置を、収納容器内に収納してなることを特徴とする。

本発明の電解セルスタック装置は、導入管、導出管がそれぞれ連結される往路側セル、復路側セルの上端部と、往路側セルの上端部と復路側セルの上端部とを連結する連通部材とが離間しているため、電解セルスタック装置が高温に曝され、電解装置内に固定された導入管、導出管が熱膨張したとしても、この熱膨張に伴い、導入管、導出管が連結された
往路側セル、復路側セルが変形し、導入管、導出管とセルスタックとの連結部における応力集中を低減できる。これにより、長期信頼性が向上した電解装置を提供できる。

電解セルの一例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａにおける横断面図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。電解セルスタック装置を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は隣接するセルスタックユニットのセル同士を、内面が曲面形状の連通部材で連結した状態を拡大して示す縦断面図である。（ａ）はセルスタックの平面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタックに連通部材、導入管、導出管を設けた電解セルスタック装置を示す平面図である。３個のセルスタックユニットのセル同士を連通部材で連通した状態を示す縦断面図である。（ａ）はガスタンクに４個の電解セルを幅方向に所定間隔をおいて配置したものを２列設けてセルスタックユニットを形成し、このセルスタックユニットを３個並列したセルスタックの平面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタックに連通部材、導入管、導出管を設けた状態を示す平面図である。円筒型の電解セルを用いた電解セルスタック装置を示す斜視図である。（ａ）は９個のセルスタックユニットをＳ字状に配置し、セル同士を連通部材で直列に連結した電解セルスタック装置を示す斜視図、（ｂ）は３個のセルスタックユニットのセルを直列に連結したものを３行に配置し、３行のセルスタックを並列接続した電解セルスタック装置を示す斜視図である。

図１は電解セルの一形態を示し、図２、３は電解セルを用いた電解セルスタック装置を示している。なお、図において、電解セルの各構成を省略したり、一部拡大等して示している。

電解セル１は、図１に示すように、中空平板状を有しており、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の導電性の支持体２を備えている。

支持体２の内部には、適当な間隔で複数の流通孔７が電解セル１の長さ方向Ｌに沿って一端から他端に貫通するように形成されており、電解セル１は、この支持体２上に各種の部材が設けられた構造を有している。なお、流通孔７は、電解セル１の横断面において円形状とすることがよい。

支持体２は、図１（ｂ）に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎの両端をつなぐ側面（弧状部）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦面ｎの一方の表面と両側の側面ｍを覆うように多孔質なカソード３（内側電極層）が設けられており、さらに、このカソード３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の上には、カソード３と対面するように、多孔質なアノード５（外側電極層）が積層されており、カソード３、固体電解層４およびアノード５が重なっている部分が、電解素子部となる。また、カソード３および固体電解質層４が積層されていない他方の平坦面ｎには、インターコネクタ６が積層されている。

図１（ｂ）から明らかなように、固体電解質層４（およびカソード３）は、平坦面ｎの両端をつなぐ弧状の側面ｍを経由して他方の平坦面ｎ側に延びており、インターコネクタ６の両端面がカソード３および固体電解質層４の両端面と当接している。なお、インターコネクタ６の両端部を、固体電解質層４の両端部上に積み重なるように配置することもで
きる。

なお、インターコネクタ６と支持体２との間には、インターコネクタ６と支持体２とを強固に接合するための密着層を設けることでき、また、固体電解質層４とアノード５との間には、固体電解質層４とアノード５との成分が反応して抵抗の高い反応生成物が生じることを抑制するための反応防止層を設けることができる。

ここで、電解セル１においては、支持体２内の流通孔７に水蒸気を含有するガスを流し、所定の作動温度まで加熱するとともに、カソード３とアノード５との間に所定の電圧を印加することにより、電解反応を生じることができる。なお、電圧は、支持体２上に積層されたインターコネクタ６を介して電解セル本体１に電流を流すことで印加される。

電解セル１は、例えば、支持体成形体２ｃの一方の表面と両側の側面ｍを覆うように、カソード３の成形体、固体電解質層４の成形体を積層し、支持体成形体の他方の表面にインターコネクタ６の成形体を積層し、焼成した後、固体電解質層４の表面にアノード５を積層し、焼成することにより、作製することができる。

以下に、電解セル１を構成する各構成について順に説明する。

支持体２は、流通孔７を流れる水蒸気を固体電解質層４まで透過させるために水蒸気を透過する透過性を有すること、インターコネクタ６を介して電流を流すために導電性であることが要求されることから、例えば、鉄族金属成分と特定の無機酸化物（例えば希土類元素酸化物）とにより形成されることが好ましい。

鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としてはＦｅ、ＮｉおよびＣｏを用いることができ、特には安価であることおよび燃料ガス中で安定であることから、鉄族成分／鉄族金属酸化物としてＮｉおよび／またはＮｉＯを含有していることが好ましい。なお、Ｎｉおよび／またはＮｉＯに加えてＦｅやＣｏを含有してもよい。なお、ＮｉＯは、電解反応により生じたＨ_２により還元されて、一部もしくは全部がＮｉとして存在する。

また、希土類元素酸化物とは、支持体２の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類元素酸化物が、上記鉄族成分との組み合わせで使用することができる。このような希土類元素酸化物の具体例としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を例示することができ、鉄族金属の酸化物との固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３が好ましい。

ここで、支持体２の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、鉄族金属成分と希土類元素酸化物成分とが、焼成−還元後における体積比率で３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、鉄族金属成分としてＮｉを、希土類元素酸化物成分としてＹ_２Ｏ_３を用いる場合には、Ｎｉ／（Ｎｉ＋Ｙ）が７９〜９３モル％となるように含有することが好ましい。なお、支持体２中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。

また、支持体２は、ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が
３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、支持体２の導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。

なお、支持体２の平坦面ｎの長さ（支持体２の幅方向Ｗの長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、側面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体２の厚み（平坦面ｎの両面間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。

カソード３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ_２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、支持体２において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

カソード３中の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素酸化物が固溶しているＣｅＯ_２の含量と、ＮｉあるいはＮｉＯの含量とは、焼成−還元後における体積比率で、３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。さらに、このカソード３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。例えば、カソード３の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層４とカソード３との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。

また、図１（ｂ）の例では、カソード３は、一方の平坦面ｎ（図において左側に位置する平坦面ｎ）から側面ｍを介して他方の平坦面ｎ（図において右側に位置する平坦面ｎ）にまで延びているが、アノード５に対面する位置に形成されていればよいため、例えばアノード５が設けられている側の平坦面ｎにのみカソード３が形成されていてもよい。すなわち、カソード３は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４がカソード３上、両側面ｍ上およびカソード３が形成されていない他方の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。

固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ_２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４は、水蒸気の透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。

上記したように、固体電解質層４と後述するアノード５の間に、固体電解質層４とアノード５との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分とアノード５との成分とが反応して電気抵抗の高い反応生成物が生じることを抑制する目的で反応防止層を備えることもできる。

反応防止層としては、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＲＥＯ_１．５）_ｘ、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数、で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０〜２０モル％のＳｍＯ_１．５またはＧｄＯ_１．５が固溶したＣｅＯ_２からなることが好ましい。

また、固体電解質層４とアノード５とを強固に接合するとともに、固体電解質層４の成分とアノード５の成分とが反応して電気抵抗の高い反応生成物が生じることをさらに抑制する目的で、反応防止層を２層から形成することもできる。

アノード５としては、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ_３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＳｒとＬａが存在し、Ｂサイトに、Ｃｏ（コバルト）とともにＦｅ（鉄）やＭｎ（マンガン）が存在しても良い。

また、アノード５は、酸素ガスの透過性を有する必要があり、従って、アノード５を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、アノード５の厚みは、電解セル１の導電性の観点から３０〜１００μｍであることが好ましい。

また、支持体２のアノード５側と反対側の平坦面ｎ上には、インターコネクタ６が積層されている。

インターコネクタ６としては、導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、水素を含むガスおよび酸素を含むガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）を使用することが好ましい。さらには、特に支持体２と固体電解質層４との熱膨張係数を近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ_３系酸化物を用いることが好ましい。なおＭｇの量は、インターコネクタ６の熱膨張係数が、支持体２および固体電解質層４の熱膨張係数に近づくように、具体的には１０〜１２ｐｐｍ／Ｋとなるように適宜調整することができる。

また、支持体２とインターコネクタ６との間には、上記したように、インターコネクタ６と支持体２との間の熱膨張係数差を軽減する等のための密着層を設けることもできる。

このような密着層としては、カソード３と類似した組成とすることができる。例えば、希土類元素酸化物、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２、希土類元素が固溶したＣｅＯ_２のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。より具体的には、例えばＹ_２Ｏ_３とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成や、Ｙ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等の酸化物が固溶したＣｅＯ_２とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成から形成することができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素酸化物が固溶しているＣｅＯ_２の含量と、ＮｉあるいはＮｉＯの含量とは、焼成−還元後における体積比率で、４０：６０〜６０：４０の体積比で存在することが好ましい。

そして、電解セル１に設けられた複数の流通孔７に水蒸気を含有するガスを供給することで、電解反応により水素が生成される。

具体的には、電解セル１を７００〜１０００℃に加熱し、かつ電圧を１．０〜１．５Ｖ（電解セル１本あたり）で印加することで、電解セル１に供給された水蒸気の一部もしくは全部が、カソード３とアノード５とにおいて下記の反応式で示す反応が生じ、水素と酸
素に分解される。
カソード：Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｈ_２＋Ｏ^２−
アノード：Ｏ_２ ⁻ → １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻
図２、３は、本実施形態の電解セルスタック装置の一例を示すもので、図２（ａ）は電解セルスタック装置の縦断面図、図２（ｂ）は内面が曲面形状の連通部材で２つのセルを連結した状態を示す縦断面図である。また、図３（ａ）は連通部材を設けていない電解セルスタック装置の平面図、図３（ｂ）は（ａ）のセルスタックに連通部材等を設けた場合の平面図である。

図２、３に示す電解セルスタック装置においては、図２（ａ）に示すように、電解セル１の下端部をガラスシール材等の絶縁性接合材２５でガスタンク３１に固定し、電解セル１がガスタンク３１から上方に延びるように配置され、セルスタックユニット３０ａが構成されている。セルスタックユニット３０ａは、ガスをガスタンク３１内に導入する往路側セル１ａと、ガスをガスタンク３１から導出する復路側セル１ｂとを有しており、往路側セル１ａと復路側セル１ｂとが交互に位置するようにセルスタックユニット３０ａが配列しているとともに、図３（ａ）に示すように、セルスタックユニット３０ａの配列方向ｙと直交する方向ｘに、往路側セル１ａが複数所定間隔をおいて一列をなして配置され、復路側セル１ｂが複数所定間隔をおいて一列をなして配置されている。

すなわち、ガスタンク３１には、複数の往路側セル１ａが厚み方向に所定間隔をおいて配列して往路側セル列１ａ１が構成され、複数の復路側セル１ｂが厚み方向に所定間隔をおいて配列して復路側セル列１ｂ１が構成され、往路側セル列１ａ１と復路側セル列１ｂ１とは平行にガスタンク３１に設けられている。

また、２つのセルスタックユニット３０ａが、往路側セル１ａと復路側セル１ｂとが交互に位置するように、言い換えれば、往路側セル列１ａ１と復路側セル列１ｂ１とが交互に位置するように、配置されてセルスタック３０が構成され、一方のセルスタックユニット３０ａの往路側セル１ａ（往路側セル列１ａ１）の上端部と、この一方のセルスタックユニット３０ａに隣接する他方のセルスタックユニット３０ａの復路側セル１ｂ（復路側セル列１ｂ１）の上端部とが連通部材３２により連結されている。

すなわち、２つのセルスタックユニット３０ａのガスタンク３１は、それぞれの往路側セル列１ａ１と復路側セル列１ｂ１とが交互にかつ平行になるように、所定間隔をおいて電解装置内部の底面（載置面）に配置されている。また、連通部材３２には、一方のセルスタックユニット３０ａの往路側セル１ａ（往路側セル列１ａ１）の上端部と、他方のセルスタックユニット３０ａの復路側セル１ｂ（復路側セル列１ｂ１）の上端部とが挿入され、上記したようなガラスシール材等の絶縁性接合材で接合固定されている。

また、セルスタックユニット３０ａの配列方向ｙにおけるセルスタック３０の両端に位置する往路側セル１ａ（往路側セル列１ａ１）には、セルスタック３０に水蒸気を含有するガスを導入する導入管３５が、連通部材３６を介して連結され、復路側セル１ｂ（復路側セル列１ｂ１）の上端部には、セルスタック３０から水素を含有するガスを導出する導出管３７が連通部材３８を介して連結されている。連通部材３６、３８に連結されていない側の導入管３５、導出管３７の端部は、電解装置内部の壁面に固定されている。

導入管３５が連結される連通部材３６、２つのセルスタックユニット３０ａを連結する連通部材３２、導出管３７が連結される連通部材３８は、導入管３５、導出管３７の引出方向に所定間隔をおいて配置されている。

上記のような連結構造を有するため、水蒸気を含有するガスが、導入管３５から、連通
部材３６を介して、一方のセルスタックユニット３０ａ（図２（ａ）の左側のセルスタックユニット３０ａ）の往路側セル１ａに流れ、ガスタンク３１を介して復路側セル１ｂに流れる。そして、連通部材３２を介して、他方のセルスタックユニット３０ｂ（図２（ａ）の右側のセルスタックユニット３０ａ）の往路側セル１ａに流れ、ガスタンク３１を介して、復路側セル１ｂ、連通部材３８を介して導出管３７から、水素を含有するガスが導出される。電解セル１内を水蒸気が流れる間に、その一部もしくは全部が電解反応を生じることで水素を生じ、生じた水素や反応を生じなかった水蒸気を含むガスが導出管３７により回収される。

電解装置内の底面にガスタンク３１が載置されて固定され、連通部材３２、３６、３８はセル上端部に配置されており、使用場所に応じて名称を変えているが、同一形状、同一材料で形成されたものであっても良い。

なお、２つのセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１、復路側セル列１ｂ１は、それぞれ複数の往路側セル１ａ、複数の復路側セル１ｂが図示しない導電部材により電気的に直列に接続されて構成されている。さらに、２つのセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１、復路側セル列１ｂ１は両端部に端部導電部材４１を有しており、この端部導電部材４１を介して電気的に接続され、セルスタック３０が構成されており、このセルスタック３０の両端部には、セルスタック３０（電解セル１）に電流を流すための引出部３３を有する端部導電部材４１が配置されている。上述の各部材を備えることで、電解セルスタック装置が構成されている。

以上のように構成された電解セルスタック装置では、導入管３５および導出管３７が連結される連通部材３６および連通部材３８と、往路側セル１ａと復路側セル１ｂの上端部を連結する連通部材３２とが離間しているため、電解セルスタック装置が高温に曝され、電解装置内に固定された導入管３５および導出管３７が熱膨張したとしても、この熱膨張に伴い往路側セル１ａまたは復路側セル１ｂが少々変形し、連通部材３６および連通部材３８が連通部材３２側に近づき、導入管３５および導出管３７の熱膨張を吸収し、導入管３５および導出管３７と、セルスタック３０の連結部における応力集中を低減できる。

また、往路側セル１ａと復路側セル１ｂが交互に複数直列に連結されているため、水蒸気を電気分解する性能が向上し、導出管３７から回収される水素濃度を高くすることができる。これにより、電解セル１の長さを短くしても十分な水素を生成でき、電解セル１の長さを短くすることができ、これにより、電解セル１が高温時に変形したとしても、電解セル１に接続される連通部材３２、連通部材３６および連通部材３８に作用する応力を低減できる。

なお、一方のセルスタックユニット３０ａの復路側セル１ｂの上端部から連通部材３２に供給される水蒸気の供給圧が低い場合において、流通孔７より連通部材３２の空間に排出されたガスが、復路側セル１ｂの流通孔７を逆流するおそれがある。

それゆえ、図２（ｂ）に示すように、電解セル１の長さ方向Ｌに沿った断面視において、連通部材３２の内面のうち、少なくとも電解セル１の延長線上に位置する部位が弧状面３２ａとされていることが好ましい。

それにより、復路側セル１ｂの流通孔７より連通部材３２の空間に流れたガスは、連通部材３２の弧状面３２ａに沿って流れ、復路側セル１ｂの下方より水蒸気を含有するガスが流通した流通孔７に逆流することを抑制できる。

図４は、３つのセルスタックユニット３０ａを、往路側セル列１ａ１と復路側セル列１
ｂ１とが交互に位置するように所定間隔をおいて配置し、電解セル１を、２つの連通部材３２、連通部材３６および連通部材３８で接続して構成されている。このような電解セルスタック装置であっても上記と同様の効果を得ることができる。

図５（ａ）はセルスタックを示すもので、ガスタンク３１に４個の電解セル１を幅方向に所定間隔をおいて配置したものを２列設けてセルスタックユニット３０ａを形成し、このセルスタックユニット３０ａを３個並置して構成されている。そして、図５（ｂ）に示すように、４個の往路側セル１ａで構成された往路側セル列１ａ１、４個の復路側セル１ｂで構成された復路側セル列１ｂ１を、２つの連通部材３２、連通部材３６および連通部材３８で、往路側セル列１ａ１と復路側セル列１ｂ１とを交互に接続して、電解セルスタック装置が構成されている。

また、３個のセルスタックユニット３０ａの６個の電解セル１は、図示しないが、導電部材により電気的に相互に接続され、また、図５の上下に配置された引出部３３で挟まれ、電流を印加できるように構成されている。

このような電解セルスタック装置では、図５（ｂ）において、ガスが、導入管３５から連通部材３６に導入され、下側のセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１、復路側セル列１ｂ１を流れ、連通部材３２を介して、中央のセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１、復路側セル列１ｂ１を流れ、連通部材３２を介して、上側のセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１、復路側セル列１ｂ１を流れ、連通部材３８を介して導出管３７から導出される。

このような電解セルスタック装置であっても上記と同様の効果を得ることができる。

図６は、円筒型の電解セルを用いた電解セルスタック装置を示すもので、３本の往路側セル１ａからなる往路側セル列１ａ１と、３本の復路側セル１ｂからなる復路側セル列１ｂ１とをガスタンク３１に平行に設けた２つのセルスタックユニット３０ａを有している。そして、２つのセルスタックユニット３０ａのうち一方のセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１と、他方のセルスタックユニット３０ａの復路側セル列１ｂ１とが連通部材３２で連結されている。さらに、一方のセルスタックユニット３０ａの往路側セル列１ａ１に連通部材３６を介して導入管３５が連結され、他方のセルスタックユニット３０ａの復路側セル列１ｂ１に連通部材３８を介して導出管３７が連結されている。

このような電解セルスタック装置であっても上記と同様の効果を得ることができる。なお、円筒型の電解セルは、円筒型の支持管の外面に、カソード、固体電解質層、アノードを形成して構成されている。支持管はなく、カソードが支持体を兼ねる場合であっても良い。

図７（ａ）は、９個のセルスタックユニットをＳ字状に配置し、電解セル同士を連通部材で直列に連結した電解セルスタック装置を示している。すなわち、１本の往路側セル１ａと、１本の復路側セル１ｂとをガスタンク３１に設けた９つのセルスタックユニット３０ａを、３行３列に整列して構成されている。そして、隣接するセルスタックユニット３０ａ間の往路側セル１ａと復路側セル１ｂとが連通部材３２で連結されるとともに、中央の行は、その両端に位置する往路側セル１ａ、復路側セル１ｂが、両端の行の一方または他方の端に位置する往路側セル１ａ、復路側セル１ｂに連通部材３２で連結され、９つのセルスタックユニット３０ａがＳ字状に直列に連結されている。

また、９つのセルスタックユニット３０ａからなるセルスタックの両端に位置する往路側セル１ａ、復路側セル１ｂには、それぞれ連通部材３６を介して導入管３５、連通部材
３８を介して導出管３７が連結されている。

このような電解セルスタック装置であっても上記と同様の効果を得ることができるとともに、電解セルスタック装置をコンパクトとすることができ、電解セル１が密集して配置されるため放熱も抑制でき、電解性能を向上できる。

図７（ｂ）は、３個のセルスタックユニットのセルを直列に連結したものを３行配置し、３行のセルスタックを並列接続した電解セルスタック装置を示している。すなわち、１本の往路側セル１ａと、１本の復路側セル１ｂとをガスタンク３１に設けた９つのセルスタックユニット３０ａを、３行３列に整列して構成されている。

そして、隣接するセルスタックユニット３０ａ間の往路側セル１ａと復路側セル１ｂとが連通部材３２で連結されるとともに、３行の左端に位置する３個の往路側セル１ａに連通部材３６が連結され、この連通部材３６に導入管３５が連結されており、また、３行の右端に位置する３個の復路側セル１ｂに連通部材３８が連結され、この連通部材３８に導出管３７が連結されており、直列に連結された３個のセルスタックユニットからなる列が、３行並列接続されている。

このような電解セルスタック装置であっても上記と同様の効果を得ることができるとともに、直列に連結された３個のセルスタックユニットからなる列が３行並列接続されているため、水蒸気供給量を増加でき、水素生成量を増加でき、さらに電解セルスタック装置をコンパクトとすることができ、電解セル１が密集して配置されるため放熱も抑制でき、電解性能を向上できる。

なお、図６、７では、円筒型の電解セルを用いてセルスタックユニットを構成したが、例えば、中空平板型の電解セルを用いてセルスタックユニットを構成しても良いことは勿論である。

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

例えば、上記形態では、導電性の支持体の平坦面にカソードとアノードに固定電解質層を挟んで構成される電解素子部を１つ設けた、いわゆる縦縞型電解セルについて説明したが、絶縁性の支持体の平坦面に電解素子部を複数電気的に接続して設けた、いわゆる横縞型電解セルについて、本発明を適用することができる。

１：電解セル
１ａ：往路側セル
１ａ１：往路側セル列
１ｂ：復路側セル
１ｂ１：復路側セル列
２：支持体
３：カソード
４：固体電解質層
５：アノード
６：インターコネクタ
７：流通孔
３０：セルスタック
３０ａ：セルスタックユニット
３１：ガスタンク
３２，３６、３８：連通部材
３５：導入管
３７：導出管

Claims

ガスタンクに上方に延びるように往路側セルおよび復路側セルを配列してなる複数のセルスタックユニットを、前記往路側セルと前記復路側セルとが交互に位置するように配列してなるセルスタックと、
一方の前記セルスタックユニットの往路側セルの上端部と該一方のセルスタックユニットに隣接する他方の前記セルスタックユニットの復路側セルの上端部とを連結する連通部材と、
前記セルスタックにおける前記セルスタックユニットの配列方向両端に位置する前記往路側セルおよび前記復路側セルの上端部にそれぞれ連結された、水蒸気を含有するガスを導入する導入管および水素を含有するガスを導出する導出管とを具備し、
前記導入管および前記導出管は、前記往路側セルおよび前記復路側セルの上端部に設けられた前記連通部材にそれぞれ連結されていることを特徴とする電解セルスタック装置。
前記セルスタックユニットは、複数の前記往路側セルおよび複数の前記復路側セルを有するとともに、前記複数の往路側セルおよび前記複数の復路側セルが、それぞれ前記セルスタックユニットの配列方向に対して直交する方向に配列していることを特徴とする請求項１に記載の電解セルスタック装置。
請求項１または請求項２に記載の電解セルスタック装置を、収納容器内に収納してなることを特徴とする電解装置。