JP6121826B2

JP6121826B2 - 電解装置

Info

Publication number: JP6121826B2
Application number: JP2013153692A
Authority: JP
Inventors: 高橋　成門; 成門高橋; 晋平白石; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: JP2015025150A

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。

現在、水素（Ｈ_２）を製造する技術として、電解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、アノード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電解セル（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

このような電解装置においては、より高濃度の水素が回収できることが求められているが、例えば電解セルを、水蒸気を含むガスを供給するためのマニホールドにシール材等にて固定している場合に、このシール材にクラック等が入り、外部の空気が入り込むことで、水素の濃度が低下するおそれがあった。

本発明は、高濃度の水素を回収することが可能な電解セルスタック装置およびそれを備える電解装置を提供することを目的とする。

本発明の電解装置は、カソードと固体電解質とアノードとを有する電解セルを複数個備える電解セルスタックと、前記電解セルに水蒸気を含むガスを供給する水蒸気含有ガス導入部と、水素を含むガスを回収する水素含有ガス導出部と、該水素含有ガス導出部に配置された燃焼部材と、該燃焼部材近傍における前記水素含有ガス導出部に設けられ、前記燃焼部材近傍の温度を計測するための温度計測装置と、水蒸気を含むガスを前記水蒸気含有ガス導入部に供給する水蒸気含有ガス供給装置と、前記電解セルに電流を供給する電流供給装置と、前記温度計測装置により測定された温度に基づいて、水蒸気含有ガス供給装置及び電流供給装置のうち少なくとも一つを制御する制御装置と、を備え、該制御装置が前記温度計測装置により測定された温度が所定の温度を超えた場合には前記水蒸気含有ガス供給装置及び前記電流供給装置のうち少なくとも一つを停止することを特徴とする。

本発明の電解セルスタック装置は、水素含有ガス導出部に燃焼部材が配置されていることにより、外部の空気が入り込んだ場合に、その空気を構成する酸素を燃焼させることで、高濃度の水素を回収することが可能な電解セルスタック装置とすることができる。

また、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で、高濃度の水素を回収することが可能な電解装置とすることができる。

電解セルスタック装置の一例を示す斜視図である。図１に示す電解セルスタック装置を一部省略して示す平面図である。図１に示す電解セルスタック装置の電解セルの長手方向に沿った断面図である。電解セルスタック装置の他の一例を示す斜視図である。図４に示す電解セルスタック装置の電解セルの長手方向に沿った断面図である。

図１は、本実施形態の電解セルスタック装置の一例を示す斜視図であり、図２は図１に示す電解セルスタック装置のうち、蓋部材を省略して示し、かつ一部を抜粋して示す平面図である。なお、以下の説明において、同一のものについては、同一の符号を用いて説明するものとする。

図１および図２に示す電解セルスタック装置においては、複数個の電解セル２を立設させた状態で一列に配列して電気的に接続された電解セルスタック（以下、単にセルスタックという場合がある。）３を備え、該セルスタック３を構成する電解セル２の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、金属等で形成されたマニホールド７に固定されている。なお、電解セル２の上端には、内部に空間を有し、ガスを折り返すための蓋部材５が設けられている。なお、蓋部材４については後述する。

また、セルスタック３の両端部には、セルスタック３（電解セル２）に電流を流すための導電部６を有する端部導電部材５が配置されており、各電解セル２が電気的に接続している例を示している。なお、詳細は後述するが、図１、図２に示す電解セル２として、縦縞型の電解セル２を備えている。

また、マニホールド７の内部構造については後述するが、マニホールド７の内部に水蒸気含有ガス導入部を構成し、水蒸気を含むガスを供給するための水蒸気含有ガス供給管８と、水素含有ガス導出部を構成し、電解セル２にて生成された水素を含むガスを回収するための回収管９とが、マニホールド７の一端側にそれぞれ接続されている。なお後述するが、マニホールド７の内部が、水蒸気含有ガス導入部を構成し、電解セル２に水蒸気を含むガスを供給するための水蒸気含有ガス供給部と、水素含有ガス導出部を構成し、電解セル２にて生成された水素を含むガスを回収する回収部とに区分されている。

言い換えると、本実施形態の電解セルスタック装置１においては、水素含有ガス導入部が、水素含有ガス供給部と、水蒸気含有ガス供給管８とで構成され、水蒸気含有ガス導入部が、回収部と回収管９とで構成されている。なお、マニホールド７には、後述する温度センサ２４が設けられている。

続いて図２に示す縦縞型の電解セル２について説明する。

図２は、図１に示す電解セルスタック装置を一部省略して示す平面図である。なお、図２においては、電解セル２の各構成を一部拡大等して示している。

図２に示す電解セル２は、中空平板型の電解セル２で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の支持体１１を備えている。

支持体１１の内部には、適当な間隔で複数の流通孔１６が長手方向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２は、この支持体１１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１６は、電解セル２の断面において円形状とす
ることがよい。

支持体１１は、図２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（下面）と両側の側面ｍを覆うように多孔質なカソード１２（内側電極層）が設けられており、さらに、このカソード１２を覆うように、緻密質な固体電解質層１３が積層されている。また、固体電解質層１３の上には、カソード１２と対面するように、多孔質なアノード１４（外側電極層）が積層されており、カソード１２、固体電解質層１３およびアノード１４が重なっている部分が、電解素子部となる。また、カソード１２および固体電解質層１３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１５が形成されている。

図２から明らかなように、固体電解質層１３（およびカソード１２）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１５の両端部がカソード１２および固体電解質層１３の両端部と重なって配置されている。なお、インターコネクタ１５の両端部を、固体電解質層１３の両端部上に積み重なるように配置することもできる。

また、図２には示していないが、インターコネクタ１５と支持体１１との間には、インターコネクタ１５と支持体１１とを強固に接合するための密着層を設けることができ、固体電解質層１３とアノード１４との間には、カソード１２とアノード１４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２においては、支持体１１内の流通孔１６に水蒸気を含むガスを流し、所定の作動温度まで加熱するとともに、所定の電圧を、導電部６を有する端部導電部材５を介して付加することにより、電解反応を生じることができる。なお、電圧は、支持体１１上に積層されたインターコネクタ１５を介して電解セル２に電流を流すことで付加される。以下に、電解セル２を構成する各構成について順に説明する。

支持体１１は、水蒸気を固体電解質層１３まで透過させるために水蒸気を含むガスを透過するガス透過性を有すること、インターコネクタ１５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希土類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（ニッケル）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水素を含む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、特定の希土類酸化物とは、支持体１１の熱膨張係数を固体電解質層１３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（ルテチウム）、Ｙｂ、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ（プラセオジム）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１３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１１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１３と近似させるという点で、鉄族金属成分と希土類酸化物成分とが、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１１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１１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１１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１１の平坦面ｎの長さ（支持体１１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１１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１２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、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素が固溶した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１１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_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１２中の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素が固溶している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１２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１２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１３とカソード１２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２の例では、カソード１２は、一方の平坦面ｎ（図２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２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１４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１４が設けられている側の平坦面ｎにのみカソード１２が形成されていてもよい。すなわち、カソード１２は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層１３がカソード１２上、両側面ｍ上およびカソード１２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１３は、３〜１５モル％のＹ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素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１３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。

なお、固体電解質層１３と後述するアノード１４の間に、固体電解質層１３とアノード１４との接合を強固とするとともに、固体電解質層１３の成分とアノード１４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。

ここで、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１３とアノード１４とを強固に接合するとともに、固体電解質層１３の成分とアノード１４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１４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（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）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、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１４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１４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１４の厚みは、電解セル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１１のアノード１４側と反対側の平坦面ｎ上には、インターコネクタ１５が積層されている。

インターコネクタ１５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１１と固体電解質層１３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１５の熱膨張係数が、支持体１１および固体電解質層１３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１１とインターコネクタ１５との間には、インターコネクタ１５と支持体１１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１２と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素が固溶した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、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素が固溶している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。

なお、図２に示す電解セルスタック装置１においては、一方の電解セル２のインターコネクタ１５に、隣接する他方の電解セル２のアノード１４が接合し、これにより電解セル２同士が電気的に接続されている。なお、一方の電解セル２のインターコネクタ１５と、他方の電解セル２のアノード１４とが電気的に接続されればよく、例えば間に集電部材（導電部材）を介して電気的に接続してもよい。

このような電解セルスタック３では、アノード１４が形成されていない電解セル２を用い、一方の電解セル２のインターコネクタ１５にアノード１４を構成するペーストを塗布し、隣接する他方の電解セル２の固体電解質層１３に、アノード１４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、熱処理することにより、隣接する一方の電解セル２のインターコネクタ１５と、他方の電解セル２のアノード１４とが直接接合し、電気的に接続することができる。

そして、アノード１４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、アノード１４内にガス通路が形成されており、電解反応で生じた酸素を、アノード１４内に形成されたガス通路を介してアノード１４外に放出することができ、より簡単な構造で、電解セル２からのガスを排出できるとともに、複数の電解セル２を電気的に接続できる。

なお、電解セル２は、図２に示したように支持体１１の上にカソード１２を設けた例のほか、支持体１１がカソード１２を兼ねる構成の電解セル２とすることもできる。

このように電解セル２の一端を、絶縁性の接合材１０（ガラスシール材等）を用いてマニホールド８に固定し、電解セル２の他端に蓋部材４を接合することで、本実施形態の電解セルスタック装置１が構成される。

図３は、図１に示す電解セルスタック装置の電解セルの長手方向に沿った断面図である。

図３において、電解セル２の流通孔１６が往路側流通孔２０と復路側流通孔２１とされて、蓋部材４を介して電解セル２にて折り返された構造とされている。

蓋部材４は、図１に示す電解セル２の他端部（上端部）に、往路側流通孔２１を流通したガスを、復路側流通孔２２に流通させるための空間１７を有している。すなわち、蓋部材４の内面は、電解セル２の他端（上端）と所定の距離を有する形状とされており、この内面と電解セル２の他端との間が空間１７とされている。

蓋部材４としては、耐熱性を有する材料より作製することができ、例えばセラミックや金属等で作製することができる。ただし、蓋部材４を金属より構成する場合には、蓋部材４と電解セル２とは絶縁することが好ましい。それゆえ、例えば蓋部材４と電解セル２とを隙間を空けて配置し、例えばガラス等の絶縁性の接着剤にて固定するほか、蓋部材４の内面が電解セル２に接触することを防ぐ目的で、電解セル２の他端（上端）に絶縁性からなる環状もしくは筒状の部材を配置するほか、蓋部材４の内面に絶縁性のコーティングを施すなどして、蓋部材４と電解セル２とを絶縁することが好ましい。それにより、蓋部材
４と電解セル２との絶縁性を確保しつつ、流通孔１６を流れる水蒸気を含むガス等が漏出することを抑制できる。なお、蓋部材４と電解セル２との間に、絶縁性からなる環状もしくは筒状の部材を配置する場合には、この環状または筒状の内側が空間１７となる。

そして、電解セル２に設けられた往路側流通孔２１に対して、電解セル２の下方より水蒸気を含む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２を６００〜１０００℃に加熱し、かつ電圧を１．０〜１．５Ｖ（電解セル２本あたり）で付加することで、電解セル２の下方より供給された水蒸気の一部もしくは全部が、カソード１２とアノード１４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⁻
すなわち、本実施形態の電解セルスタック装置１では、貫通孔が設けられた支持体１１を備える電解セル２の上端部に、蓋部材５を配置し、かつ電解セル２の下端部をマニホールド７に固定するだけの構成とすることで、簡単な構造の電解セルスタック装置１とすることができる。

一方、マニホールド７の内部に３仕切部材１８が配置されており、それにより、図５において向かって左側が水蒸気含有ガス供給部１９とされ、右側が主に水素を含むガスの回収部２０とされている。

そして、電解セル２に設けられた往路側流通孔２１の下端と、水蒸気含有ガス供給部１９とが連通しており、それにより、水蒸気含有ガス供給部１９に供給された水蒸気を含むガスが、往路側流通孔２１を上方に向けて流れる間に、水蒸気の一部もしくは全部が電解反応を生じることで水素を含むガスとなる。

そして、電解反応により生じた水素や反応に使用されなかった水蒸気を含むガスは、続けて往路側流通孔２１の上方より、蓋部材４の空間１７に流れる。そして、空間１７に流れたガスは、続いて復路側流通孔２２に流れ、復路側流通孔２２を下方に向けて流れることとなる。

一方、復路側流通孔２２の下端は、回収部２０と連通している。それにより、空間１７を介して、復路側流通孔２２に流れ、該復路側流通孔２２を下方に向けて流れた後、回収部２０に流れることとなる。それゆえ、回収部２０に流れたガスを、回収管９を介して回収することで、効率よく水素を含むガスを回収することができる。なお、この復路側流通孔２２を下方に向けて流れる間にも、ガスに含まれる反応を生じなかった水蒸気の一部または全部が電解反応を生じ、水素を生成することができる。

なお、水素含有ガス導出部は、回収部２０と回収管９とで構成されており、水蒸気含有ガス導入部は、水蒸気含有ガス供給部１９と水蒸気含有ガス供給管８とで構成されている。

また、蓋部材４の内面は、往路側流通孔２１を流れた水素を含むガスが効率よく復路側流通孔２２に流れるように、円弧状とすることもできる。

なお、図３においては、電解セル２が、水蒸気含有ガス供給部１９と連通する往路側流通孔２１の体積の合計が、回収部２０と連通する復路側流通孔２２の体積の合計よりも多くなるように、マニホールド７に固定されている例を示している。

具体的には、図３に示す電解セルスタック装置１においては、電解セル２にほぼ同じ体積の流通孔１６が複数設けられており、水蒸気含有ガス供給部１９に連通する往路側流通孔２１の数（図３においては４本）が、回収部２０と連通する復路側流通孔２２（図３においては２本）の数よりも多くなるように、マニホールド７に固定されている例を示している。

水蒸気を含むガスが、復路側流通孔２２を流れる間も電解反応は生じるものの、水蒸気をより多く含むガスが流れる往路側流通孔２１の体積の合計が、復路側流通孔２２の体積の合計よりも多くなるように、電解セル２をマニホールド７に固定することにより、より効率よく電解反応を行なうことができ、水素の生成（回収）効率を向上することができる。それにより、電解セルスタック装置１をさらに小型化することができる。

ところで、このようなセルスタック装置１においては、例えば水蒸気含有ガス供給部１９と電解セル２とを接合する絶縁性の接合材にクラック等が生じる場合がある。この場合、このクラック等より外気（空気）が侵入し、回収部２０にて回収される水素濃度が低下するおそれがある。特に水素を生成する電解セルスタック装置１においては、高濃度の水素を生成できることが要求されているため、このような場合においても少しでも水素の濃度が高濃度となることが要求される。

それゆえ、本実施形態の電解セルスタック装置１においては、回収部２０に、燃焼部材が配置されている。ここで、燃焼部材の働きにより、クラック等から侵入した空気を構成する酸素が、回収部２０にて回収される水素を含むガスと反応（燃焼）することで、回収される水素の量は若干減少するものの、水素濃度を向上することができる。

なお、燃焼部材としては、例えば、白金線や白金メッシュのほか、燃焼触媒等を用いることができる。なお、クラック等から侵入した空気を構成する酸素の量が少ない場合に、より効率よく燃焼させるにあたっては、燃焼触媒を用いることが好ましく、図２においては、回収部２０に燃焼触媒２３を設けた例を示している。

なお、燃焼触媒２３としては、例えば、γ−アルミナやα−アルミナやコージェライト等の多孔質担体に白金やパラジウム等の貴金属類等の触媒を担持させた燃焼触媒等の一般的に公知のものを使用することができる。

また、回収部２０には、回収部２０の温度を計測するための温度計測装置として、温度センサ（熱電対等）２４が設けられている。

上述のように、本実施形態の電解セルスタック装置１においては、例えば水蒸気含有ガス供給部１９と電解セル２とを接合する絶縁性の接合材にクラック等が生じた場合に、回収部２０に設けられた燃焼触媒２３により、クラック等から侵入した空気を構成する酸素が、回収部２０にて回収される水素を含むガスと反応（燃焼）することで、回収される水素の量は若干減少するものの、水素濃度を向上することができる。

しかしながら、その燃焼触媒２３による燃焼が多いと、水素を含むガスの回収量が少なくなるため、ある程度の量を超えた場合においては、運転を停止することが好ましい。ここで、燃焼触媒２３での燃焼に伴って回収部２０の温度が上昇することから、回収部２０の温度が所定の温度以上となった場合には、運転を停止するとともに、新たな電解セルスタック装置１を用いることにより、より効率的に運転を行なうことができる。それゆえ、例えば後述する電解装置においては、温度センサ２４により測定された温度に基づいて、水蒸気を含むガスや電流を供給する各供給装置の動作を制御する制御装置を備え、制御装置が温度センサ２４により測定された温度が所定の温度を超えた場合には、水蒸気や電流
を供給する各供給装置を停止することが好ましい。なお、この所定の温度とは、燃焼触媒の種類や設置位置に応じて適宜設定することができるが、触媒として白金を用いる場合は、例えば２００℃以上の範囲で設定すればよく、触媒としてパラジウムを用いる場合は８００℃以上の範囲で設定すればよい。またこれ以外にも、例えば定常運転時の温度を基準として、所定温度上昇した際に、水蒸気や電流を供給する供給装置を停止してもよい。この場合の所定温度とは、例えば定常運転時と比較して５０〜１００℃高い温度等、燃焼触媒の種類や設置位置に応じて適宜設定することができる。

なお、制御装置はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭを備えている。なお、ＣＰＵは、電解セル装置の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。

また、上述の例では燃焼触媒２３を、回収部２０に設けた例を示しているが、水素含有ガス導出部に燃焼部材が設けられていればよく、例えば図１に示す回収管９に燃焼触媒２３を設けてもよい。

図４は、本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を示す斜視図であり、図５は図４に示す電解セルスタック装置の電解セルの長手方向に沿った断面図である。

本実施形態の電解セルスタック装置２５は、図１〜図３に示す電解セルスタック装置１と比較して、電解セルスタック３の上方に電解反応により生じた水素を含むガスを回収するための回収部である第２のマニホールド２６が設けられている。

図５を用いて説明すると、図３に示した電解セルスタック装置１とは異なり、電解セル２の一端部が固定される第１のマニホールド２９は、内部に仕切部材１８を有しておらず、内部が全て水素含有ガス導入部を構成する水蒸気含有ガス供給部３０とされている。そして、水蒸気含有ガス供給部３０に供給された水蒸気を含むガスが、全ての流通孔１６を上方に向けて流れる間に、水蒸気の一部もしくは全部が電解反応を生じることで水素を含むガスとなる。

一方、電解セル２の他端側には、絶縁性の接着材にて箱状の第２のマニホールド２６が接合されており、その内側が水素含有ガス導出部を構成する回収部３１である空間とされ、回収部３１には燃焼触媒２３が配置されている。あわせて、回収部３１に温度計測装置である温度センサ２８が設けられているほか、第２のマニホールド２６にて回収された水素を含むガスを回収するための回収管２７が接続されている。なお、温度センサ２８の動作は上述した電解セルスタック装置１と同様である。

流通孔１６を上方に向けて流れた水素を含むガスは、回収部３１に流れて、第２のマニホールド２６に接合された回収管９を介して回収される。

なお、本実施形態においては、水素含有ガス導入部が、第１のマニホールド２９と水蒸気含有ガス供給管８とで構成され、水素含有ガス導出部が、第２のマニホールド２６と回収管２７とで構成されている。

ここで、本実施形態の電解セルスタック装置２５においては、例えば水蒸気含有ガス供給部３０と電解セル２とを接合する絶縁性の接合材にクラック等が生じた場合に、このクラック等より外気（空気）が侵入し、回収部３１にて回収される水素濃度が低下するおそれがある。しかしながら、回収部３１に燃焼部材である燃焼触媒２３を設けることにより、クラック等から侵入した空気を構成する酸素が、回収部３１にて回収される水素を含む
ガスと反応（燃焼）することで、回収される水素の量は若干減少するものの、水素濃度を向上することができる。

そして、上述した電解セルスタック装置１、２５を収納容器内に収納することで、高濃度の水素を回収することが可能な電解装置とすることができる（図示せず）。なお、収納容器内には、電解セル２の温度を上昇し、高温に保持するためのヒータ等の熱源装置を備えていることが好ましい。

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、上述の例において、電解セル２として縦縞型の電解セル２を用いて説明したが、支持体上に、カソード、固体電解質層、アノードが順に配置された電解素子部を複数設けてなる、いわゆる横縞型の電解セルを用いることもできる。

また、例えば電解セル２がＮｉを含んでなる場合には、電解セル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カソード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、電解セル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、水蒸気に加えてさらに少量の水素を供給することで、電解セル２の酸化を抑制することができる。そのため、回収管９より回収された水素を含むガスの一部をマニホールド７に供給するほか、外部より水素を供給するための水素供給管をマニホールド７に接続することもできる。

１、２５：電解セルスタック装置
２：電解セル
３：電解セルスタック
４：蓋部材
７：マニホールド
８：水蒸気含有ガス供給管
９、２７：回収管
１０：接合材
１１：支持体
１２：カソード
１３：固体電解質層
１４：アノード
１６：流通孔
２０、３１：回収部
２３：燃焼触媒
２４、２８：温度センサ
２６：第２のマニホールド
２９：第１のマニホールド

Claims

カソードと固体電解質とアノードとを有する電解セルを複数個備える電解セルスタックと、
前記電解セルに水蒸気を含むガスを供給する水蒸気含有ガス導入部と、
水素を含むガスを回収する水素含有ガス導出部と、
該水素含有ガス導出部に配置された燃焼部材と、
該燃焼部材近傍における前記水素含有ガス導出部に設けられ、前記燃焼部材近傍の温度を計測するための温度計測装置と、
水蒸気を含むガスを前記水蒸気含有ガス導入部に供給する水蒸気含有ガス供給装置と、
前記電解セルに電流を供給する電流供給装置と、
前記温度計測装置により測定された温度に基づいて、水蒸気含有ガス供給装置及び電流供給装置のうち少なくとも一つを制御する制御装置と、を備え、
該制御装置が前記温度計測装置により測定された温度が所定の温度を超えた場合には前記水蒸気含有ガス供給装置及び前記電流供給装置のうち少なくとも一つを停止することを特徴とする電解装置。
前記燃焼部材が、燃焼触媒であることを特徴とする請求項１に記載の電解装置。
前記電解セルの一端部を固定するマニホールドを備え、該マニホールドは内部が、前記水蒸気含有ガス導入部を構成し、前記電解セルに水蒸気を含むガスを供給するための水蒸気含有ガス供給部と、前記水素含有ガス導出部を構成し、前記水素を含むガスを回収するための回収部とを有しており、該回収部に前記燃焼部材及び前記温度計測装置が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電解装置。
前記水蒸気含有ガス導入部を構成し、前記電解セルの一端部を固定するとともに、内部が前記電解セルに水蒸気を含むガス供給するための水蒸気含有ガス供給部とされた第１のマニホールドと、前記水素含有ガス導出部を構成し、前記電解セルの他端部を固定するとともに、内部が前記水素を含むガスを回収するための回収部とされた第２のマニホールドとを備え、前記回収部に前記燃焼部材及び前記温度計測装置が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電解装置。