JP6110488B2 - セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール - Google Patents

セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール Download PDF

Info

Publication number
JP6110488B2
JP6110488B2 JP2015524012A JP2015524012A JP6110488B2 JP 6110488 B2 JP6110488 B2 JP 6110488B2 JP 2015524012 A JP2015524012 A JP 2015524012A JP 2015524012 A JP2015524012 A JP 2015524012A JP 6110488 B2 JP6110488 B2 JP 6110488B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
electrode layer
manifold
cell unit
outer electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015524012A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2014208448A1 (ja
Inventor
孝 小野
孝 小野
晋平 白石
晋平 白石
高橋 成門
成門 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Publication of JPWO2014208448A1 publication Critical patent/JPWO2014208448A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6110488B2 publication Critical patent/JP6110488B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031Porous electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70Assemblies comprising two or more cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • H01M4/861Porous electrodes with a gradient in the porosity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432Grouping of unit cells of planar configuration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は、セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュールに関する。
現在、水素(H)を製造する技術として、セルを用いた水電解装置が提唱されている。
このような水電解装置としては、固体高分子形の電解質膜の両側に電極体が設けられ、これらの両側に給電体を配設してなるユニットを積層し、この積層方向の両端に電圧をかけることで、外側電極層側給電体に供給された水が分解されて、水素が生成されることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、近年水素を製造する他の方法として、固体酸化物形の電解質膜を備えるセル(SOEC)を用いる高温水蒸気電解法も提唱されている。
特開2012−41568号公報
ところで、特に固体酸化物形の電解質を備えるセル(SOEC)を用いる水電解装置については、その具体的構成については改善の余地がある。
それゆえ、本発明は、より具体的な構成のセルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュールを提供することを目的とする。
本発明のセルユニットは、内側電極層と固体酸化物形の電解質層と外側電極層とが順次積層された素子部を有し、長手方向に沿って一端から他端に貫通する流通孔を有する柱状のセルを複数個備えるセルスタックと、前記複数個のセルの一端部を固定するとともに、前記流通孔にガスを供給するための第1のマニホールドと、前記複数個のセルの他端部を固定するとともに、前記流通孔より排出されたガスを回収する第2のマニホールドと、を有し、前記セルが、前記素子部の前記内側電極層と電気的に接続するインターコネクタを備えており、一方の前記セルの前記インターコネクタと隣接する他方の前記セルの前記外側電極層とが接合しており、前記他方のセルの前記外側電極層が、前記固体電解質層側に、前記一方のセルの前記インターコネクタ側よりも気孔率が高い多孔質層を有することを特徴とする。
また、本発明のセルスタック装置は上記のセルユニットと、前記セルの長手方向における中央部側を加熱するための加熱体とを有することを特徴とする。
また、本発明のセルユニット装置は、上記のセルユニットの複数個が、前記セルが水平方向に配置されるようにして、かつ上下方向に並置されていることを特徴とする。
また、本発明のモジュールは、収納容器内に、上記のセルユニット、または上記のセルスタック装置、または上記のセルユニット装置を収納してなることを特徴とする。
さらに、本発明のモジュールは、収納容器内に、上記のセルユニット、または上記のセルユニット装置を収納してなるとともに、収納容器に、セルユニットまたはセルユニット装置とは別に設けられた前記セルの長手方向における中央部側を加熱するための加熱体とが設置されていることを特徴とする。
本発明のセルユニットは、セルに対して容易にガスを供給できるとともに、セルから排出されるガスを容易に回収することができる。
また、本発明のセルスタック装置は、加熱体により反応効率のよいセルの中央部側の温度を上げることができることから、反応効率を向上することができる。
また、本発明のセルユニット装置は、簡単な構成で、セルから排出されるガスを容易に回収することができる。
さらに、本発明のモジュールは、反応効率の向上したモジュールとすることができる。
(a)は本実施形態のセルユニットの一例を示す外観斜視図であり、(b)は(a)で示すx−x線での断面を一部省略して示す断面図である。 (a)は本実施形態のセルスタックの他の一例を示す横断面図であり、(b)は(a)のy−yにおける縦断面図である。 (a)、(b)は本実施形態のセルのさらに他の一例を示す縦断面図である。 (a)、(b)は本実施形態のセルスタックのさらに他の一例を示す横断面図である。 (a)、(b)は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態のセルスタック装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。 (a)、(b)は本実施形態のセルユニット装置の一例を示す外観斜視図である。 (a)、(b)は、本実施形態のセルユニット装置における第1マニホールドの接続状態を抜粋して示す外観斜視図である。 (a)、(b)は本実施形態のセルユニット装置の他の一例を示す外観斜視図である。 本実施形態のモジュールの一例を示す概略図である。
図1(a)は本実施形態のセルユニットの一例を示す外観斜視図であり、(b)は(a)で示すx−x線での断面を一部省略して示す断面図である。
図1(a)に示すセルユニット1は、内側電極層と固体酸化物形の固体電解質と外側電極層とを有し、長手方向に沿って一端から他端に貫通する流通孔を有する柱状のセル2の複数個が配列されてなるセルスタック7を備えている。なお、以下の説明において、セル2として水(水蒸気)の電気分解を行う電解セルを例として説明する。
また、図1に示すセルユニット1では、セル2を一列に配列してなるセルスタック7を示しているが、セル2を複数列・複数行設けてなるセルスタック7とすることもできる。
複数個のセル2は、一端部が流通孔に水蒸気を供給するための第1のマニホールド3に固定されている。なお、第1のマニホールド3には、内部に水蒸気を導入するための導入管4が接続されている。セル2については後述するが、ここで、例えばセル2がNiを含んでなる場合には、セル2に水蒸気のみを供給すると、Niが水蒸気により酸化されるおそれがある。Niが酸化されると、Niを含有する支持体や内側電極層が酸化により体積変化を引き起こし、これに伴って固体電解質に過度な応力が発生することにより、固体電解質が破壊されることがある。これにより固体電解質のクロスリークが発生し、セル2の性能が大幅に劣化する。それゆえ、これを回避するために、水蒸気に加えて少量の水素を供給し、セル2の酸化を抑制することもできる。
一方、複数個のセル2の他端部は、流通孔より排出された水素を含むガスを回収する第2のマニホールド5に固定されている。なお、第2のマニホールド5には、水素を含むガスを回収するための回収管6が接続されている。
すなわち、セルユニット1は、セル2と、セル2の一端部を固定する第1のマニホールド3と、セル2の他端部を固定する第2のマニホールド5とを備えて構成されており、導入管4を介して第1のマニホールド3に流れた水蒸気は、セル2を流れる間に電気分解によって水素を含むガスとされ、この水素を含むガスは第2のマニホールド5に流れた後に、回収管6により回収される。セルユニット1をこのような構成とすることで、非常に簡単な構成で、セル2に対して容易に水蒸気を供給できるとともに、セル2から排出される水素を含むガスを容易に回収することができる。
ここで、図1(a)に示すセルユニット1においては、セル2が水平方向に配置された構成とされている。セル2を立設するように設けた場合には、セル2にその上方に位置する第2のマニホールド5の自重がかかり、セル2に破損等を生じるおそれがあるが、図1(a)に示すように、セル2が水平方向に配置された構成とすることで、セル2に破損等が生じることを抑制することができる。
セル2として、固体酸化物形の固体電解質を備えるセル(SOECセル)を用いる場合には、セル2に水蒸気を供給するとともに、セル2を600〜1000℃に加熱し、かつ電圧を1.0〜1.5V(セル1本あたり)で印加することで、セル2に供給された水蒸気の一部もしくは全部が、内側電極層と外側電極層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。なお、酸素は後述する外側電極層より排出される。
内側電極層:HO+2e → H+O2−
外側電極層:O → 1/2O+2e
以下に、セル2の構成について、図1(b)を用いて説明する。なお、図1(b)においては、図1(a)に示すセルユニット1の断面図を一部省略して示している。
セル2は、図1(a)、(b)に示すように、中空平板型であり、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支持体(以下、支持体ということがある)8を備えている。
支持体8の内部には、適当な間隔で複数の流通孔13がセル2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、セル2は、この支持体8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13は、セル2の横断面において円形状とすることがよい。
支持体8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内側電極層9が設けられており、さらに、この内側電極層9を覆うように、緻密質な固体電解質層10が積層されている。また、固体電解質層10の上には、内側電極層9と対面するように、多孔質な外側電極層11が積層されており、内側電極層9、固体電解層4および外側電極層11が重なっている部分が、素子部a(電解素子部)となる。また、内側電極層9および固体電解質層10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12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10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12の両端面が内側電極層9および固体電解質層10の両端面と当接している。なお、インターコネクタ12の両端部を、固体電解質層10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12と支持体8との間には、インターコネクタ12と支持体8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10と外側電極層11との間には、固体電解質層10と外側電極層11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、セル2においては、支持体8内の流通孔13に水蒸気を流し、上述した所定の作動温度に加熱するとともに、内側電極層9と外側電極層11との間に上述した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8上に積層されたインターコネクタ12を介してセル2に電流を流すことで印加される。以下に、セル2を構成する各構成について順に説明する。
支持体8は、水蒸気を固体電解質層10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12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8の熱膨張係数を固体電解質層10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、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Pr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10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、Ybが好ましい。
ここで、支持体8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10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8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8は、水蒸気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8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8の平坦面nの長さ(支持体8の幅方向の長さ)は、通常、15〜35mm、側面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体8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。
内側電極層9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または希土類元素酸化物が固溶したCeO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8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が固溶したZrO(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
内側電極層9中の希土類元素酸化物が固溶したZrOまたは希土類元素酸化物が固溶しているCeOの含有量と、NiあるいはNiOの含有量とは、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、この内側電極層9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、内側電極層9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10と内側電極層9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、内側電極層9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、外側電極層11に対面する位置に形成されていればよいため、例えば外側電極層11が設けられている側の平坦面nにのみ内側電極層9が形成されていてもよい。すなわち、内側電極層9は平坦面nにのみ設けられ、固体電解質層10が内側電極層9上、両側面m上および内側電極層9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10は、3〜15モル%のY、Sc、Yb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10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10と後述する外側電極層11の間に、固体電解質層10と外側電極層11との接合を強固とするとともに、固体電解質層10の成分と外側電極層11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、(CeO1−x(REO1.5、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SmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeOからなることが好ましい。
また、固体電解質層10と外側電極層11とを強固に接合するとともに、固体電解質層10の成分と外側電極層11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。
外側電極層11としては、いわゆるABO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系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO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、外側電極層11は、酸素ガスの透過性を有する必要があり、従って、外側電極層11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、外側電極層11の厚みは、セル2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8の外側電極層11側と反対側の平坦面n上には、インターコネクタ12が積層されている。
インターコネクタ12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、水素を含む流体および酸素を含む流体と接触するため、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8と固体電解質層10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12の熱膨張係数が、支持体8および固体電解質層10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8とインターコネクタ12との間には、上記したように、インターコネクタ12と支持体8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、内側電極層9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、希土類元素酸化物が固溶したCeO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とNiおよび/またはNiOからなる組成や、Yが固溶したZrO(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または希土類元素酸化物が固溶しているCeOの含有量と、NiあるいはNiOの含有量とは、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。
なお、図1(b)においては、一方のセル2のインターコネクタ12に、隣接する他方のセル2の外側電極層11が接合し、これによりセル2同士が電気的に接続されたセルスタック7が構成されている。
このようなセルスタック7では、外側電極層11が形成されていないセル2を用い、一方のセル2のインターコネクタ12に外側電極層11を構成するペーストを塗布し、隣接する他方のセル2の固体電解質層10に、外側電極層11を形成する前記ペーストを塗布し、ペーストが塗布された面同士を付着させ、熱処理する。それにより、隣接する一方のセル2のインターコネクタ12と、他方のセル2の外側電極層11とが直接接合し、電気的に接続することができる。従って、セルスタック7を小型化することができる。
さらに、図1においては省略したが、セルスタック7の両端部には、セルスタック7(セル2)に電流を流すための導入部を有する端部導電部材が配置されていることが好ましい。
なお、一方のセル2のインターコネクタ12と、他方のセル2の外側電極層11とが電気的に接続されればよく、例えば間に金属等からなる導電部材を介して電気的に接続してもよい。
図2(a)は本実施形態のセルスタックの他の一例を示す横断面図であり、(b)は(a)のy−yにおける縦断面図である。なお、図2(a)においては、セルスタックを構成するセル2を2つ抜粋して示している。
外側電極層11は、上記したように、所定の気孔率を有するため、多くの気孔が連通し、外側電極層11内にガス通路が形成されている。それゆえ、電解反応で生じた酸素を、外側電極層11内に形成されたガス通路を介して外側電極層11外に放出することができ、より簡単な構造で、セル2からのガスを排出できるとともに、複数のセル2を電気的に接続できる。
しかしながら、より効率よく電解反応で生じた酸素を放出するにあたっては、酸素が流れる流路を設けることが好ましい。
それゆえ、図2に示すセル2においては、外側電極層11の固体電解質側に、セル2から酸素を排出するためのガス流路14が設けられている。なお、図2においては、ガス流路14は、断面形状が半円状をなしており、図2(b)に示すように、セル2の長さ方向Lに直線状に形成され、セル2の幅方向wに所定間隔を置いて6本形成されている。
それにより、外側電極層11で生成した酸素を、ガス流路14を介して外部に効率良く放出できる。
このようなセルスタックは、まず、外側電極層11が形成されていないセル2を用い、一方のセル2のインターコネクタ12に外側電極層11を構成するペーストを塗布する。次に、隣接する他方のセル2の固体電解質層10に樹脂ペーストを塗布し乾燥して、樹脂層をセル2の長さ方向Lに直線状に6本形成する。続いて、樹脂層が形成された他方のセル2の固体電解質層10上に、外側電極層11を構成する前記ペーストを塗布し、一方と他方のセル2の外側電極層11を構成するペーストが塗布された面同士を付着させ、熱処理する。それにより、樹脂層を構成する樹脂が分解飛散し、ガス流路14が形成されるとともに、隣接する一方のセル2のインターコネクタ12と、他方のセル2の外側電極層11とが接合し、電気的に接続することができる。
図3(a)、(b)は、本実施形態のセルのさらに他の一例を示す縦断面図である。
図3(a)に示すように、外側電極層11の固体電解質側に、セル2からガスを排出するためのガス流路14を、セル2の幅方向Wに直線状に複数本形成した場合でも、図2の場合と同様の効果を得ることができる。この場合には、上記した樹脂層をセル2の幅方向Wに直線状に複数本形成することにより、ガス流路14を、セル2の幅方向Wに直線状に複数本形成することができる。
さらに、図3(b)に示すように、外側電極層11の固体電解質側に、セル2からガスを排出するためのガス流路14を、格子状に形成した場合でも、図2の場合と同様の効果を得ることができる。
なお、ガス流路14は、図2(b)、図3に示したものに限定されるものではなく、例えば、V字状にガス流路を形成することもできる。
図4(a)、(b)は本実施形態のセルスタックのさらに他の一例を示す横断面図である。
図4(a)は、他方のセル2の外側電極層11の、一方のセル2のインターコネクタ12側に、セル2からガスを排出するためのガス流路15を有するセルスタックを示すもので、ガス流路15は、断面が半円状をなしており、セル2の長さ方向Lに直線状に6本形成されている。
このようなセルスタックでは、まず、外側電極層11が形成されていないセル2を用い、一方のセル2のインターコネクタ12に、樹脂ペーストを塗布し乾燥して、樹脂層をセル2の長さ方向Lに直線状に6本形成する。次に、樹脂層が形成された一方のセル2のインターコネクタ12上に、外側電極層11を構成するペーストを塗布し、隣接する他方のセル2の固体電解質層表面に外側電極層11を構成するペーストを塗布する。続いて、一方と他方のセル2の外側電極層11を構成するペーストが塗布された面同士を付着させ、熱処理する。それにより、樹脂層を構成する樹脂が分解飛散し、一方のセル2のインターコネクタ12側にガス流路15が形成されるとともに、隣接する一方のセル2のインターコネクタ12と、他方のセル2の外側電極層11とが接合し、電気的に接続することができる。
それにより、外側電極層11で生成した酸素を、ガス流路15を介して外部に放出できるとともに、固体電解質4の表面に存在する外側電極層11の面積が広いため、電解性能を向上できる。
なお、図示しなかったが、外側電極層11の中央部にガス流路を形成することもできる。このようなガス流路は、まず、外側電極層11が形成されていないセル2を用い、一方のセル2のインターコネクタ12に外側電極層11を構成するペーストを塗布し、隣接する他方のセル2の固体電解質層表面に外側電極層11を構成するペーストを塗布する。次に、一方と他方のセル2の外側電極層11を構成するペーストが塗布された面同士を、樹脂層を介して付着させ、熱処理する。それにより、樹脂層を構成する樹脂が分解飛散し、外側電極層11の中央部にガス流路15が形成されるとともに、隣接する一方のセル2のインターコネクタ12と、他方のセル2の外側電極層11とが接合し、電気的に接続することができる。
図4(b)は、他方のセル2の外側電極層11が、固体電解質層10側に、一方のセル2のインターコネクタ12側よりも気孔率が高い多孔質層17を有するとともに、多孔質層17中の気孔が連続してガス流路を構成している。すなわち、外側電極層11は、多孔質層17よりも気孔率が小さい低気孔率層16と、高い気孔率の多孔質層17との2層構造を有しており、固体電解質側がより高い気孔率を有している。
このようなセルスタックでは、まず、外側電極層11が形成されていないセル2を用い、一方のセル2のインターコネクタ12に、外側電極層11を構成する第1ペーストを塗布し、隣接する他方のセル2の固体電解質層表面に外側電極層11を構成する第2ペースト(第1ペーストよりも樹脂からなる造孔材を多く含む)を塗布する。次に、外側電極層11を構成するペーストが塗布された面同士を付着させ、熱処理する。それにより、樹脂からなる造孔材が分解飛散し、多くの気孔が形成され、他方のセル2の外側電極層11は、固体電解質層10側に、一方のセル2のインターコネクタ12側よりも気孔率が高い多孔質層17を形成できるとともに、隣接する一方のセル2のインターコネクタ12と、他方のセル2の外側電極層11とが接合し、電気的に接続することができる。
それにより、外側電極層11で生成した酸素を、ガス流路49を介して外部に効率良く放出できる。なお、この場合に、他方のセル2の外側電極層11は、固体電解質層10側に、一方のセル2のインターコネクタ12側よりも平均気孔径が大きい多孔質層(気孔率が高くなる)を有する場合であっても、同様の効果を得ることができる。
図5(a)、(b)は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。
図5(a)に示すセルスタック装置18は、図1(a)に示すセルユニット1と、セル2の長手方向における中央部側を加熱するための加熱体(ヒータ等)とを有している。
上述したように、セル2において、効率よく電解反応を行うにあたっては、セル2の温度を600〜1000℃に加熱することが必要となる。それゆえ、図5(a)に示すセルスタック装置18においては、セル2の長手方向における中央部側を加熱するための加熱体19を設けている。それにより、この加熱体19を作動させることで、セル2の温度を600〜1000℃に加熱でき、電解反応を生じることができる。なお、図5(a)においては、セルスタック7において、セル2の配列方向における中央部に位置するセル2の長手方向の中央部側に加熱体19を設けた例を示しているが、すべてのセル2の長手方向の中央部側に加熱体19を設けることもできる。
さらに図5(b)に示すセルスタック装置20においては、加熱体19は、セル2の長手方向における中央部側と対向し、かつセル2の一端部側および他端部側とは対向していない。
セル2は、第1のマニホールド3や第2のマニホールド5にシール材を用いて固定される(以下、この固定された領域におけるセル2及びシール材をまとめて固定部という場合がある)。それゆえ、加熱体19を、セル2全体を加熱するように設けた場合には、耐熱性を有するシール材(例えばガラス等)を用いて固定する必要があるが、セル2とシール材との熱膨張差等によって発生する熱応力により、シール材やセル2に破損を生じるおそれがある。それゆえ、加熱体19が、セル2の一端部側および他端部側とは対向していないことにより、固定部の温度が上昇することを抑制でき、固定部に発生する熱応力を低減させることができる。これにより、セル2やシール材の破損を抑制することができ、信頼性の向上したセルスタック装置18、20とすることができる。さらには、耐熱性がさほど高くないシール材(例えば樹脂等)を用いて固定することもでき、使用できるシール材の種類も多くすることができ、シール材の選択肢の幅を広げることができる。
図6は、本実施形態のセルスタック装置の他の一例を示す外観斜視図である。
図6に示すセルスタック装置21においては、第1のマニホールド22と、第2のマニホールド23とが、セル2の長手方向に沿って伸びている。言い換えれば、第1のマニホールド22と、第2のマニホールド23とで、セルスタック7を囲むように設けられており、平面視において、第1のマニホールド22と第2のマニホールド23とがコの字状の形状である。
上述したようにセル2において電解反応を生じるにあたり、セル2を600〜1000℃に加熱し、その温度を維持する必要がある。ここで、第1のマニホールド22と第2のマニホールド23とが、セル2の長手方向に沿って伸びていることで、セルスタック7を囲むことにより、セルスタック7の温度を高温に維持することができ、効率のよい電解反応を生じることができる。なお、図6において、第1のマニホールド22と第2のマニホールド23とが若干の隙間を空けて設けている。これはセルスタック7が高温となり、その熱がそれぞれのマニホールドに伝熱することで、それぞれのマニホールドが熱膨張して変形することを想定しているものである。例えば第1のマニホールド22と第2のマニホールド23とを隙間を有さずに配置した場合に、熱膨張によりそれぞれのマニホールドがさらに変形を生じるおそれがあるが、このように隙間を有して配置することで、それぞれのマニホールドが若干の変形を生じたとしても、大きく変形することを抑制することができる。
図7は、本実施形態のセルスタック装置のさらに他の一例を示す外観斜視図である。図5(b)に示すセルスタック装置20と比較して、セル2の他端部(第2のマニホールド5側)に、セル2を冷却するための冷却部材25が設けられている点で異なっている。
上述したように、セル2の一端部または他端部とそれぞれのマニホールドとの固定部に熱衝撃等による破損を生じるおそれがある。そこで、本実施形態のセルスタック装置24においては、加熱体19が、セル2の一端部および他端部と対向していないほか、セル2の一端部および他端部の少なくとも一方に、セル2を冷却するための冷却部材25を設けることで、セル2の一端部または他端部とそれぞれのマニホールドとの固定部に破損等が生じることをさらに効果的に抑制できる。
なお、本実施形態のセルスタック装置24は、第1のマニホールド3に供給された水蒸気が、加熱体19によって温度の上昇したセル2の電解反応によって水素を含むガスが生成され、この水素を含むガスが第2のマニホールド5に流れる。つまり、第2のマニホールド5に流れる水素の温度が高くなり、セル2において、第1のマニホールド3側の一端部側よりも、第2のマニホールド5側の他端部側の温度が高くなる傾向がある。それゆえ、セル2とマニホールドとの固定部の破損をより効率的に破損を抑制するうえで、冷却部材25をセル2の他端部側(第2のマニホールド5側)に設けることが好ましい。
ここで、図7においては、冷却部材25として板状の冷却部材25を示したが、冷却部材25は、セル2の端部側を冷却できれば特に制限されるものではなく、例えば、フィンや、内部に冷媒が流れる流路が形成された構造体等、適宜使用することができる。
なお、冷却部材25として、内部に冷媒が流れる流路が形成された構造体を用いる場合には、冷媒として例えば水を用いることができる。この場合に、水がセル2の熱によって蒸発して水蒸気となる場合には、この水蒸気を導入管4を介して第1のマニホールド3に供給することで、効率のよいセルスタック装置24とすることができる。
図8(a)、(b)は本実施形態のセルユニット装置の一例を示す外観斜視図である。
図8(a)、(b)に示すセルユニット装置26、27は、図1(a)に示すセルユニット1が5つ上下方向に並置されて構成されている。なお、図8(a)に示すセルユニット装置26においては、複数個のセルユニット1が、平面視で第1のマニホールド3同士および第2のマニホールド5同士の少なくとも一部が重なるように並置されている(向きを同じとして並置している)。
また、図8(b)に示すセルユニット装置27においては、複数個のセルユニット1が、第1のマニホールド3と第2のマニホールド5とが、上下方向に交互に配置され、かつ平面視で第1のマニホールド3と第2のマニホールド5との少なくとも一部が重なるように並置された(向きを逆にして並置した)例を示している。
このようなセルユニット装置26、27は、本実施形態のセルユニット1の複数個を、セル2が水平方向に延びるようにして並置されていることから、より多量の水素を生成することができる。
またそれぞれのマニホールドが、平面視で少なくとも一部が重なるように配置することで、セルユニット装置26、27を組み立てやすくできる。なお好ましくは、全部が重なるように、それぞれのマニホールド同士を載置することがよい。
ところで、上述したように、セル2において、第1のマニホールド3側の一端部よりも、第2のマニホールド5側の他端部の方の温度が高くなる温度分布を生じる傾向がある。この場合において、セルユニット1を並置するにあたり、図8(a)に示したように、第1のマニホールド3同士および第2のマニホールド5同士を少なくとも一部が重なるように並置した場合に、この温度分布がさらに顕著となり、セル2の特には他端部と第2のマニホールド5と固定部(シール材)が破損するおそれがある。
それゆえ、図8(b)に示すセルユニット装置27のように、セルユニット1を、第1のマニホールド3と第2のマニホールド5とを、上下方向に交互に配置する構成とすることで、温度分布が生じること、もしくは温度分布の幅を抑制することができ、セル2とマニホールドとの固定部が破損することを抑制できることから、より信頼性の向上したセルユニット装置27とすることができる。
なお、セルユニット1を上下方向に並置するにあたっては、セルユニット1同士(各マニホールド同士)は間隔をあけて配置してもよく、また間に断熱材等を介して並置してもよい。
ところで、上述したセルユニット装置26、27においては、各マニホールドに導入管4もしくは回収管6が接続され、それぞれの管を介して、水蒸気が供給されるまたは水素を含むガスが回収される構成の例を示しているが、セルユニット1を並置した構造とするにあたり、より簡易な構造とすることもできる。
図9(a)、(b)は、本実施形態のセルユニット装置における第1マニホールドの接続状態を抜粋して示す外観斜視図である。
図9(a)においては、第1のマニホールド3に接続された導入管4同士を、1つの接続管28にて接続した構成を示している。それにより、各第1のマニホールド3に水蒸気を容易に供給することができる。なお、接続管28や導入管4は、各第1のマニホールド3に供給する水蒸気量を制御するにあたり、接続管28や導入管4の太さを適宜変更するほか、オリフィス等を設けることもできる。
また、図9(b)においては、第1のマニホールド3同士を容易に接続(連結)すべく、各マニホールド3に連結管29や連結管29を挿入固定するための連結孔30が設けられ、これらの連結管29を連結孔30に挿入固定することで、第1のマニホールド3同士を容易に連結することができる。
この場合、1つの導入管4より全ての第1のマニホールド3に水蒸気が供給されることとなるため、それぞれの第1のマニホールド3に効率よく水蒸気が分配されるよう、図9(b)においては、連結管29と連結孔30とは、第1のマニホールド3の長手方向(セル2の配列方向)に沿った一端部と他端部とに順に設けられた構成とすることが好ましい。それにより、1つの導入管4より供給される水蒸気を、それぞれの第1のマニホールド3に効率よく分配することができる。
なお、図9においては、第1のマニホールド3について説明したが、第2のマニホールド5においても同様の構成とすることができる。
図10(a)、(b)は本実施形態のセルユニット装置の他の一例を示す外観斜視図である。
図10(a)に示すセルユニット装置31においては、図8(a)に示すセルユニット装置26に加えて、複数個のセルユニット1のうち少なくとも一部のセルユニット1において、セル2の長手方向における中央部側を加熱するための加熱体32(ヒータ等)を有するとともに、加熱体32は、セル2の長手方向における中央部側と対向し、かつセル2の一端部側および他端部側とは対向していない。
上述したように、セル2において、効率よく電解反応を行うにあたっては、セル2の温度を600〜1000℃に加熱することが必要となる。それゆえ、図10(a)に示すセルスタック装置31においては、セル2の長手方向における中央部側を加熱するための加熱体32を設けている。それにより、この加熱体32を作動させることで、セル2の温度を600〜1000℃に加熱でき、電解反応を生じることができる。なお、図10(a)においては、最も上段のセルユニットにおけるセルスタックにおいて、セル2の配列方向における中央部に位置するセル2の長手方向の中央部に加熱体32を設けた例を示しているが、すべてのセル2の長手方向の中央部に加熱体32を設けることもできる。なお、各セルユニットにそれぞれ加熱体32を設けてもよい。
また、加熱体32は、セル2の一端部側および他端部側とは対向していないことから、上述と同様に、固定部の温度が上昇することを抑制でき、固定部に発生する熱応力を低減させることができる。これにより、セル2やシール材の破損を抑制することができ、信頼性を向上することができる。
また、図10(b)において示しているように、本実施形態のセルユニット装置33は、加熱体34が、複数個のセルユニット1の外周全体を取り囲むように配置されている。
ここで、セルユニット装置を作製するにあたり、図5(b)に示す、1つのセルユニット1の外周を取り囲むように配置された加熱体19を有するセルスタック装置20を複数個並置することもできるが、その場合に、加熱体19がかさばるほか、各セルユニット1を接続するにあたり、各マニホールドを大きくする必要が生じる場合があり、セルユニット装置が大型化するおそれがある。
それゆえ、図10(b)に示す本実施形態のセルユニット装置33においては、複数個のセルユニット1を並置して、その後に複数個のセルユニット1の外周全体を取り囲むように加熱体34を配置することで、セルユニット装置33が大型化することを抑制できる。
そして、上述したようなセルユニット1、セルスタック装置18、20、21、24、セルユニット装置26、27、31、33を収納容器内に収納することで、本実施形態のモジュールとすることができる。
図11は、本実施形態のモジュールの一例を示す概略図である。
図11に示すモジュール35は、直方体状の収納容器36内に、図8(a)で示したセルユニット装置26が収納されている。なお、収納容器36の内側面には、収納容器36の内部を高温に維持するための断熱材37が設けられている。なお、断熱材37は、収納容器36の外面側に設けてもよい。また、図11においてはセルユニット装置に水蒸気を供給する管やガスの回収管等は省略している。
ここで、モジュール35内に収納されたセルユニット装置26においては、セルユニット装置26に加熱体が設けられていないため、例えば収納容器36に、セルユニット装置26とは別にヒータ等の加熱体を設置することが好ましく、図11においては、セルユニット装置26の上方に加熱体38であるヒータを、セルユニット装置26とは別に設けた例を示している。なお、加熱体38の配置場所は、セルユニット装置26の上方に限られるものではなく、各セルユニット1の間に設けてもよい。
このようなモジュール35においては、セルユニット装置26の構成が簡単な構成であることから、作製が容易であるとともに、収納容器36に別途加熱体38が設けられていることから、反応効率の向上したモジュール35とすることができる。
ここで、以上の説明において、セル2として、支持体8上に、内側電極層9、固体電解質層10、外側電極層11を設けたセル2を用いて説明したが、内側電極層9が支持体8を兼ねる構成とし、内側電極層9上に、固体電解質層10、外側電極層11を設けたセルを用いることもできる。
また、セル2として電解セルを用いる例を用いて説明したが、セル2を燃料電池セルとしてもよい。この場合、例えば第1のマニホールド3、22より水素を含有する燃料ガスを供給し、セル2で使用されなかった余剰の燃料ガスを、第2のマニホールド5、23により回収して、この回収した燃料ガスを再度利用する、いわゆるオフガスリサイクルタイプの燃料電池とすることができる。
1:セルユニット
2:セル
3、22:第1のマニホールド
4:導入管
5、23:第2のマニホールド
6:回収管
7:セルスタック
9:内側電極層
10:固体電解質層
11:外側電極層
14、15:ガス流路
18、20、21、24:セルスタック装置
19、32、34、38:加熱体
26、27、31、33:セルユニット装置
35:モジュール
36:収納容器
a:素子部

Claims (14)

  1. 内側電極層と固体酸化物形の固体電解質層と外側電極層とが順次積層された素子部を有し、長手方向に沿って一端から他端に貫通する流通孔を有する柱状のセルを複数個備えるセルスタックと、
    前記複数個のセルの一端部を固定するとともに、前記流通孔にガスを供給するための第1のマニホールドと、
    前記複数個のセルの他端部を固定するとともに、前記流通孔より排出されたガスを回収する第2のマニホールドと、を有し、
    前記セルが、前記素子部の前記内側電極層と電気的に接続するインターコネクタを備えており、一方の前記セルの前記インターコネクタと隣接する他方の前記セルの前記外側電極層とが接合しており、
    前記他方のセルの前記外側電極層が、前記固体電解質層側に、前記一方のセルの前記インターコネクタ側よりも気孔率が高い多孔質層を有することを特徴とするセルユニット。
  2. 前記複数個のセルが水平方向に配置されていることを特徴する請求項1に記載のセルユニット。
  3. 前記外側電極層の前記固体電解質層側に、前記セルからガスを排出するためのガス流路が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のセルユニット。
  4. 請求項1乃至請求項のうちいずれかに記載の前記セルユニットと、前記セルの長手方向における中央部側を加熱するための加熱体とを有することを特徴とするセルスタック装置。
  5. 前記加熱体が、前記セルの中央部側と対向し、かつ前記セルの一端部側および他端部側とは対向していないことを特徴とする請求項に記載のセルスタック装置。
  6. 前記第1のマニホールドと、前記第2のマニホールドとが、前記セルの長手方向に沿って伸びていることを特徴とする請求項または請求項に記載のセルスタック装置。
  7. 前記複数個のセルの一端部および他端部の少なくとも一方に、冷却部材を有することを特徴とする請求項乃至請求項のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
  8. 請求項1乃至請求項のうちいずれかに記載のセルユニットの複数個が、前記セルが水
    平方向に配置されるようにして、かつ上下方向に並置されていることを特徴とするセルユニット装置。
  9. 前記複数個のセルユニットは、前記第1のマニホールドと前記第2のマニホールドとが、上下方向に交互に配置されて、かつ平面視で前記第1のマニホールドと前記第2のマニホールドとの少なくとも一部が重なるように配置されていることを特徴とする請求項に記載のセルユニット装置。
  10. 前記複数個のセルユニットは、平面視で前記第1のマニホールド同士および前記第2のマニホールド同士の少なくとも一部が重なるように配置されていることを特徴とする請求項に記載のセルユニット装置。
  11. 前記複数個のセルユニットのうち少なくとも一部の前記セルユニットにおいて、前記セルの長手方向における中央部側を加熱するための加熱体を有するとともに、該加熱体が、前記セルの長手方向における中央部側と対向し、かつ前記セルの一端部側および他端部側とは対向していないことを特徴とする請求項乃至請求項10のうちいずれかに記載のセルユニット装置。
  12. 前記加熱体が、前記複数個のセルユニットの外周全体を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項11に記載のセルユニット装置。
  13. 収納容器内に、請求項1乃至請求項のうちいずれかに記載のセルユニット、または請求項乃至請求項のうちいずれかに記載のセルスタック装置、または請求項乃至請求項12のうちいずれかに記載のセルユニット装置を収納してなることを特徴とするモジュール。
  14. 収納容器内に、請求項1乃至請求項のうちいずれかに記載のセルユニット、または請求項乃至請求項12のうちいずれかに記載のセルユニット装置を収納してなるとともに、前記収納容器に、前記セルユニットまたは前記セルユニット装置とは別に設けられた前記セルの長手方向における中央部側を加熱するための加熱体が設置されていることを特徴とするモジュール。
JP2015524012A 2013-06-28 2014-06-19 セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール Active JP6110488B2 (ja)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013136829 2013-06-28
JP2013136829 2013-06-28
JP2013145580 2013-07-11
JP2013145580 2013-07-11
PCT/JP2014/066304 WO2014208448A1 (ja) 2013-06-28 2014-06-19 セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2014208448A1 JPWO2014208448A1 (ja) 2017-02-23
JP6110488B2 true JP6110488B2 (ja) 2017-04-05

Family

ID=52141788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015524012A Active JP6110488B2 (ja) 2013-06-28 2014-06-19 セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9963793B2 (ja)
EP (1) EP3015569B1 (ja)
JP (1) JP6110488B2 (ja)
CN (1) CN105308215B (ja)
WO (1) WO2014208448A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6154340B2 (ja) * 2014-02-26 2017-06-28 京セラ株式会社 燃料電池セルスタック装置および燃料電池装置
JP2017522691A (ja) * 2014-06-05 2017-08-10 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス,インコーポレイティド 扁平円筒形アノードを有する燃料電池
FR3038916B1 (fr) * 2015-07-16 2017-07-28 Commissariat Energie Atomique Procedes d' (de co) electrolyse de l'eau (soec) ou de production d'electricite a haute temperature a echangeurs integres en tant qu'etages d'un empilement de reacteur (eht) ou d'une pile a combustible (sofc)
JP6795828B2 (ja) * 2015-08-26 2020-12-02 国立研究開発法人産業技術総合研究所 固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池モジュール
WO2017145902A1 (ja) * 2016-02-25 2017-08-31 京セラ株式会社 セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置
CN114824401A (zh) * 2017-04-25 2022-07-29 京瓷株式会社 单电池堆装置、单电池堆模块及单电池堆模块的容纳装置

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4648945A (en) * 1985-03-21 1987-03-10 Westinghouse Electric Corp. Bipolar plating of metal contacts onto oxide interconnection for solid oxide electrochemical cell
JPH05101842A (ja) * 1991-10-03 1993-04-23 Yuasa Corp 固体電解質型燃料電池の集合電池および電解セルの集合セル
US5200279A (en) * 1991-10-11 1993-04-06 Westinghouse Electric Corp. Solid oxide fuel cell generator
DE19819325A1 (de) * 1998-04-30 1999-11-04 Emitec Emissionstechnologie Elektrode mit für ein Fluid durchgängigen Poren und Brennstoffzelle
US6869717B2 (en) * 2001-07-09 2005-03-22 Hydrogenics Corporation Manifold for a fuel cell system
JP4192017B2 (ja) * 2003-03-12 2008-12-03 京セラ株式会社 セルスタック及び燃料電池
JP2007265650A (ja) * 2006-03-27 2007-10-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 電気化学リアクターセル用マニフォールド、スタック及びそれらから構成される電気化学反応システム
JP5013750B2 (ja) * 2006-05-29 2012-08-29 京セラ株式会社 セルスタック及び燃料電池
FR2919617B1 (fr) * 2007-08-02 2009-11-20 Commissariat Energie Atomique Electrolyseur haute temperature et haute pression a fonctionnement allothermique
JP4986930B2 (ja) 2008-05-26 2012-07-25 京セラ株式会社 燃料電池およびその運転方法
US20100086824A1 (en) * 2008-09-03 2010-04-08 Michael Homel Assemblies of hollow electrode electrochemical devices
JP5328275B2 (ja) * 2008-09-25 2013-10-30 京セラ株式会社 セルスタックおよびそれを具備する燃料電池モジュールならびに燃料電池装置
CN101724854A (zh) * 2008-10-16 2010-06-09 河南省长葛市新能源研究所 氢能源从水蒸汽中电解制取技术设备
WO2010057257A1 (en) 2008-11-19 2010-05-27 Solar Systems Pty Ltd An apparatus and method for producing hydrogen gas
JP5400414B2 (ja) * 2009-02-18 2014-01-29 本田技研工業株式会社 電解装置
JP5119234B2 (ja) * 2009-12-21 2013-01-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池モジュール
WO2011155423A1 (ja) * 2010-06-07 2011-12-15 住友電気工業株式会社 ガス分解素子、アンモニア分解素子、発電装置および電気化学反応装置
JP5364056B2 (ja) 2010-08-12 2013-12-11 本田技研工業株式会社 水電解装置
JP2012094427A (ja) * 2010-10-28 2012-05-17 Kyocera Corp 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池
CN102477560A (zh) * 2010-11-23 2012-05-30 大连创达技术交易市场有限公司 从水蒸汽中电解制取氢能源技术设备
KR20120097196A (ko) * 2011-02-24 2012-09-03 한국에너지기술연구원 평관형 고체산화물 셀 스택의 매니폴드
KR101418071B1 (ko) * 2012-04-06 2014-07-10 한국에너지기술연구원 평관형 고체산화물 셀 스택
EP2675006A1 (en) * 2012-06-11 2013-12-18 HTceramix S.A. Gas distribution element with a supporting layer
CN105190974B (zh) * 2013-03-28 2018-01-30 京瓷株式会社 固体氧化物型电解单元或固体氧化物型燃料电池单元、电池堆装置及电解模块或燃料电池模块以及电解装置或燃料电池装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3015569B1 (en) 2018-10-10
US9963793B2 (en) 2018-05-08
CN105308215B (zh) 2017-10-20
WO2014208448A1 (ja) 2014-12-31
CN105308215A (zh) 2016-02-03
EP3015569A4 (en) 2017-01-11
JPWO2014208448A1 (ja) 2017-02-23
US20160122884A1 (en) 2016-05-05
EP3015569A1 (en) 2016-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6110488B2 (ja) セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール
JP6419310B2 (ja) セルスタック装置、モジュール及びモジュール収容装置
JP6105423B2 (ja) 電解セルスタック装置及び電解装置
JP6835572B2 (ja) セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP5173052B1 (ja) 燃料電池のスタック構造体
JP5791854B1 (ja) セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP5883028B2 (ja) セルスタック装置の作製方法
JP6100577B2 (ja) セルスタック装置および電気化学装置
JP6401115B2 (ja) セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP6110246B2 (ja) 電解セルスタック装置および電解装置
JP2014143162A (ja) セルスタック装置および燃料電池装置
JP6749051B2 (ja) セルスタック装置、燃料電池モジュール及び燃料電池装置
JP5437152B2 (ja) 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池
JP6386364B2 (ja) セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP6121793B2 (ja) セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP2018166131A (ja) セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP6434299B2 (ja) セルスタック、モジュールおよびモジュール収容装置
JP6462290B2 (ja) 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP6110247B2 (ja) 電解セルスタック装置および電解装置
JP5806104B2 (ja) 燃料電池セルスタック装置および燃料電池セルスタック連結装置ならびに燃料電池装置
JP2010108687A (ja) 集電部材、それを具備するセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP6121826B2 (ja) 電解装置
JP2014179245A (ja) 電気化学セルスタック装置および電気化学装置
JP2013077485A (ja) 燃料電池装置
JP2015160968A (ja) 水蒸気電解セルスタック装置および電解装置

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161129

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170123

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170309

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6110488

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150