JP6463203B2 - Electrochemical element, electrochemical module including the same, electrochemical device and energy system - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステムに関する。 The present invention relates to an electrochemical device, an electrochemical module including the electrochemical device, an electrochemical device, and an energy system.
従来の電極支持型の固体酸化物形燃料電池セルの構造は平板型と円筒型に大別され、円筒型においては、まず電極を円筒状に形成し、その周囲に電解質や他の電極を形成していた。そして円筒状の電極が、燃料電池セルの構造を支える支持体としての役割を担っていた。 The structure of the conventional electrode-supported solid oxide fuel cell is roughly divided into a flat plate type and a cylindrical type. In the cylindrical type, an electrode is first formed into a cylindrical shape, and an electrolyte and other electrodes are formed around it. Was. And the cylindrical electrode played the role as a support body which supports the structure of a fuel cell.
特許文献1には、支持体である内側電極を3次元網目構造体とし、内側電極の表面に固体電解質、外側電極を順次設けた燃料電池セルが開示されている(図1)。また、当該燃料電池セルの従来技術として、円筒状の内側電極の外周面に、固体電解質、外側電極を設けた燃料電池セル(図5)が開示されている。内側電極には、燃料ガスまたは酸素含有ガスが流れるガス通過孔が設けられている。加えて、扁平状の内側電極の外周面に、固体電解質、外側電極を設けた燃料電池セル(図6)が開示されている。内側電極には、燃料ガスまたは酸素含有ガスが流れるガス通過孔が複数設けられている。
固体酸化物形燃料電池において内側電極を支持体とする場合、外側に配置される固体電解質へ燃料ガスまたは酸素含有ガスを供給するために、内側電極などから構成される支持体は気体透過性を有する必要がある。それと同時に、支持体として十分な強度を有する必要がある。 When the inner electrode is used as a support in a solid oxide fuel cell, the support composed of the inner electrode and the like has gas permeability in order to supply fuel gas or oxygen-containing gas to the solid electrolyte disposed outside. It is necessary to have. At the same time, it is necessary to have sufficient strength as a support.
そのために、特許文献1の図5および図6の例では、内側電極などから構成される燃料ガスまたは酸素含有ガスの通過孔を有する多孔質支持体をバインダー添加・スラリー調整・押出成形・乾燥・仮焼成工程等により形成する必要がある。そして、仮焼成された内側電極などから構成される支持体上に固体電解質や外側電極材料の原料をスラリーあるいはペースト化して順次形成し、乾燥・仮焼成工程等を経て、1300~1500℃程度の高温で焼成し作成する必要がある。高温焼成前の製造途上の形成物は非常に脆く、変形やクラックが発生し易く、また高温焼成により得られた燃料電池セルの強度も低く脆性破壊現象を起こすという問題があった。支持体を構成する内側電極等の厚みを大きくすると、燃料電池セルの変形やクラックをある程度抑制することができるが、内側電極の厚みの増加により固体電解質へのガス供給量が減少し、燃料電池セルの性能が低下してしまう。
For this purpose, in the examples of FIG. 5 and FIG. 6 of
特許文献1の図1の例では、内側電極を3次元網目構造体として形成することで、強度を大きくし、製造工程における変形やクラックの発生を抑制し、固体電解質表面へのガス供給量を増加できるとされている。しかしながら当該構成においても、製造工程が複雑な点や、得られた燃料電池セルがストレス印加時に脆性破壊現象を起こす点、構成材料の熱伝導率が(1.5~3Wm-1K-1程度と)低いため、セル内部の温度分布が大きくなり応力分布を生じ破壊に至る問題があり、燃料電池セル(電気化学素子)としてのさらなる強度、耐久性および性能の向上が求められていた。
In the example of FIG. 1 of
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度、耐久性および性能の優れた電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステムを実現することにある。 This invention is made | formed in view of the above-mentioned subject, The objective is to implement | achieve the electrochemical element, electrochemical module, electrochemical apparatus, and energy system which were excellent in intensity | strength, durability, and performance.
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、導電性を有する筒状支持体と、電気化学反応部とを有する電気化学素子であって、前記電気化学反応部は、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有し、前記電解質層は前記燃料極と前記空気極との間に配置され、前記筒状支持体は、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部と、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部とを有し、前記電気化学反応部が前記筒状支持体の外側または内側に前記気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される点にある。 The characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention for achieving the above object is an electrochemical device having a cylindrical support having conductivity and an electrochemical reaction portion, and the electrochemical reaction portion includes: A membrane-like electrolyte layer; a membrane-like fuel electrode; and a membrane-like air electrode, wherein the electrolyte layer is disposed between the fuel electrode and the air electrode, and the cylindrical support is A gas flow allowing portion that allows gas flow between the inside and outside of the cylindrical support, and a gas flow prohibition that prohibits gas flow between the inside and outside of the cylindrical support. And the electrochemical reaction part is disposed outside or inside the cylindrical support so as to cover a part or all of the gas flow allowing part.
上記の特徴構成によれば、筒状支持体の外側または内側に電気化学反応部が配置される構成となるので、筒型支持体が電気化学素子全体の機械的強度を担うことにより、電気化学素子を堅牢で強度が高いものにすることができる。また筒状支持体が気体通流許容部と気体通流禁止部とを有し、電気化学反応部が気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される。この電気化学素子の構造により、電気化学反応部への気体の接触を許容しつつ、筒状支持体の内側と外側との間での気体の通流を効果的に抑止することができる。 According to the above-described characteristic configuration, the electrochemical reaction portion is arranged outside or inside the cylindrical support. Therefore, the cylindrical support bears the mechanical strength of the entire electrochemical element, so that the electrochemical reaction is performed. The element can be made robust and high in strength. The cylindrical support has a gas flow allowing portion and a gas flow prohibiting portion, and the electrochemical reaction portion is disposed so as to cover a part or all of the gas flow allowing portion. With this structure of the electrochemical element, it is possible to effectively suppress the flow of gas between the inside and the outside of the cylindrical support while allowing the gas to contact the electrochemical reaction part.
加えて、電気化学素子の製造時には、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有する電気化学反応部を筒状支持体の上に形成することになるから、電気化学反応部の形成時の不良率を低減することができる。さらに、電気化学素子としての機能は膜状の電解質層・燃料極・空気極を有する電気化学反応部により実現されているので、従来のように支持体に高価な材料を用いる必要性が少なくなり、電気化学素子のコストダウンが可能となる。すなわち上記の特徴構成により、電気化学素子の強度、耐久性、性能および製造容易性を高め、製造コストを低減することができる。 In addition, when the electrochemical device is manufactured, an electrochemical reaction part having a membrane-like electrolyte layer, a membrane-like fuel electrode, and a membrane-like air electrode is formed on the cylindrical support. Moreover, the defect rate at the time of formation of an electrochemical reaction part can be reduced. Furthermore, since the function as an electrochemical element is realized by an electrochemical reaction part having a membrane-like electrolyte layer, fuel electrode, and air electrode, the necessity of using an expensive material for the support as in the conventional case is reduced. In addition, the cost of the electrochemical device can be reduced. That is, the above-described characteristic configuration can increase the strength, durability, performance, and manufacturability of the electrochemical element, and can reduce the manufacturing cost.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体が金属または金属酸化物である点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the cylindrical support is a metal or a metal oxide.
上記の特徴構成によれば、筒状支持体が金属または金属酸化物であるので、筒状支持体の強度および導電性の確保と、気体通流禁止部における筒状支持体の内側と外側の気体通流防止を容易に実現することができる。また、従来の支持体は構成材料の熱伝導率が1.5~3Wm-1K-1程度と低いため、ヒートショックを受けた時や電気化学的負荷が変動した時に過渡的にセル内部の温度分布が大きくなり応力分布を生じ破壊に至りやすかった。上記の特徴構成によれば、筒状支持体が金属または金属酸化物であるから、筒状支持体の熱伝導率を高くすることができ、セル内部の温度分布は小さくなり応力分布の発生による破壊を回避することができる。したがって、強度、信頼性、耐久性および性能により優れた電気化学素子を実現することができる。 According to the above characteristic configuration, since the cylindrical support is a metal or metal oxide, the strength and conductivity of the cylindrical support are ensured, and the inner side and the outer side of the cylindrical support in the gas flow prohibition portion. It is possible to easily prevent gas flow. In addition, since the conventional support has a low thermal conductivity of about 1.5 to 3 Wm −1 K −1, the material inside the cell is transiently moved when subjected to a heat shock or when the electrochemical load fluctuates. The temperature distribution increased and stress distribution was generated, leading to failure. According to the above characteristic configuration, since the cylindrical support is a metal or metal oxide, the thermal conductivity of the cylindrical support can be increased, the temperature distribution inside the cell is reduced, and the stress distribution is generated. Destruction can be avoided. Therefore, an electrochemical element superior in strength, reliability, durability and performance can be realized.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体が、前記筒状支持体の中心軸に対して平行な平面部を有し、前記電気化学反応部は前記平面部に配置される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the cylindrical support has a plane portion parallel to a central axis of the cylindrical support, and the electrochemical reaction portion is located on the plane portion. It is at the point where it is placed.
上記の特徴構成によれば、筒状支持体が、筒状支持体の中心軸に平行な平面部を有し、電気化学反応部は平面部に配置されるので、電気化学反応部の形成がより容易になり、電気化学素子の製造の歩留まりを更に向上することができる。また、電気化学素子として重要な内側と外側との気体の通流防止を、さらに容易かつ効果的に実現することができる。 According to the above characteristic configuration, the cylindrical support has a flat portion parallel to the central axis of the cylindrical support, and the electrochemical reaction portion is disposed on the flat portion. It becomes easier and the yield of manufacturing the electrochemical device can be further improved. In addition, the prevention of gas flow between the inside and outside, which is important as an electrochemical element, can be realized more easily and effectively.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記空気極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that a membranous intermediate layer is disposed between the air electrode and the electrolyte layer.
上記の特徴構成によれば、空気極と電解質層との間に膜状の中間層が配置されるので、空気極の構成材料と電解質層の構成材料との反応が効果的に抑制され、性能の長期安定性に優れた電気化学素子を実現することができる。 According to the above characteristic configuration, since the membranous intermediate layer is disposed between the air electrode and the electrolyte layer, the reaction between the air electrode constituent material and the electrolyte layer constituent material is effectively suppressed, and the performance It is possible to realize an electrochemical device having excellent long-term stability.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記燃料極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that a membranous intermediate layer is disposed between the fuel electrode and the electrolyte layer.
上記の特徴構成によれば、燃料極と電解質層との間に膜状の中間層が配置されるので、より性能と信頼性、耐久性に優れた電気化学素子を実現することができる。 According to said characteristic structure, since a film-like intermediate | middle layer is arrange | positioned between a fuel electrode and an electrolyte layer, the electrochemical element excellent in performance, reliability, and durability can be implement | achieved.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層が前記気体通流許容部を覆って配置される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the electrolyte layer is disposed so as to cover the gas flow allowing portion.
上記の特徴構成によれば、電解質層が気体通流許容部を覆って配置されるので、電気化学反応部の筒状支持体への設置によって筒状支持体の内側・外側の気密を実現することができ、性能に優れた電気化学素子をより容易に製造することができる。 According to the above characteristic configuration, since the electrolyte layer is disposed so as to cover the gas flow allowing portion, the inner and outer airtightness of the cylindrical support is realized by installing the electrochemical reaction portion on the cylindrical support. Thus, an electrochemical device having excellent performance can be more easily manufactured.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層の端部に前記筒状支持体の内側と外側との間の気体の通流を防止するシール材が設けられる点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that a sealing material for preventing gas flow between the inside and the outside of the cylindrical support is provided at the end of the electrolyte layer.
上記の特徴構成によれば、電解質層の端部に筒状支持体の内外間の気体の通流を防止するシール材が設けられるので、より容易に筒状支持体の内側・外側の気密を実現することができ、性能に優れた電気化学素子をより容易に製造することができる。 According to the above characteristic configuration, since the sealing material for preventing the gas flow between the inside and outside of the cylindrical support is provided at the end of the electrolyte layer, the inner and outer sides of the cylindrical support can be more easily sealed. An electrochemical device that can be realized and has excellent performance can be more easily manufactured.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記気体通流許容部は、前記筒状支持体の内側と外側とに連通した複数の貫通孔が設けられている穿孔領域である点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the gas flow allowing portion is a perforated region provided with a plurality of through holes communicating with the inside and the outside of the cylindrical support. is there.
上記の特徴構成によれば、気体通流許容部は、筒状支持体の内側と外側とに連通した複数の貫通孔が設けられている穿孔領域であるので、筒状支持体に気体通流許容部をより容易に選択的に設けることができる上に、筒状支持体の強度をより高めることができる。したがって、強度および耐久性により優れた電気化学素子をより容易に実現することができる。 According to the above characteristic configuration, the gas flow allowing portion is a perforated region in which a plurality of through holes communicating with the inside and the outside of the cylindrical support are provided. In addition to easily and selectively providing the allowance portion, the strength of the cylindrical support can be further increased. Therefore, an electrochemical element that is superior in strength and durability can be realized more easily.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記気体通流許容部は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材を前記筒状支持体の側面に設けられた開口部に固定して形成される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the gas flow allowing portion includes an opening provided on a side surface of the cylindrical support with a gas permeable member made of a material having conductivity and gas permeability. It is in the point formed by fixing to.
上記の特徴構成によれば、気体通流許容部は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材を筒状支持体の側面に設けられた開口部に嵌合や溶接などの接合法により固定して形成されるので、気体通流許容部をより容易に形成することができる上に、気体透過部材の表面を平坦に形成することが容易となって、電気化学反応部の形成の歩留まりを向上させることが可能となる。すなわち、電気化学素子の製造をより容易に行うことができる。 According to the above-described characteristic configuration, the gas flow allowing portion is configured such that the gas permeable member made of a material having conductivity and gas permeability is connected to the opening provided on the side surface of the cylindrical support body, such as fitting or welding. Since it is formed fixed by a legal method, the gas flow allowing portion can be formed more easily, and the surface of the gas permeable member can be easily formed flat, thereby forming the electrochemical reaction portion. It is possible to improve the yield. That is, the electrochemical element can be manufactured more easily.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち一方の端部が前記他の部材に固定されて、前記電気化学素子が前記他の部材に片持ち支持される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that when the electrochemical element is attached to another member, one end of the cylindrical support in the axial direction is the other member. It is fixed and the electrochemical element is cantilevered by the other member.
電気化学素子は使用時に温度変化や電気化学的負荷変動等の各種の変動を受ける。例えば固体酸化物形燃料電池に用いられる場合には、運転と停止により室温〜約800℃前後の温度サイクルを繰り返し受けることとなる。上記の特徴構成によれば、電気化学素子が他の部材に取り付けられる際、筒状支持体の軸方向の端部のうち一方の端部が他の部材に固定されて、電気化学素子が他の部材に片持ち支持されるので、本発明の他の特徴構成と相まって温度変化に起因する膨張・収縮や、振動等による応力の発生を従来技術に比して飛躍的に軽減し、性能の長期安定性がより優れた電気化学素子を実現することができる。 Electrochemical elements are subject to various fluctuations such as temperature changes and electrochemical load fluctuations during use. For example, when used in a solid oxide fuel cell, the temperature cycle from room temperature to about 800 ° C. is repeatedly received by operation and shutdown. According to said characteristic structure, when an electrochemical element is attached to another member, one edge part is fixed to another member among the axial direction edge parts of a cylindrical support body, and an electrochemical element is other Since it is cantilevered by this member, the generation of stress due to expansion and contraction due to temperature change and vibration due to temperature change in combination with other features of the present invention is dramatically reduced compared to the prior art, and performance is improved. An electrochemical element with better long-term stability can be realized.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられている点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that, of the axial ends of the cylindrical support, the side attached to the other member when the electrochemical element is attached to the other member. The non-arrangement region where the electrochemical reaction portion or the gas flow allowing portion is not provided is provided at the fixed end portion which is the end portion.
通常は電気化学反応部は、電気化学反応の発生を促進すべく、できるだけ大きな面積に設けられる。上記の特徴構成によれば、筒状支持体の軸方向の端部のうち、電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、電気化学反応部あるいは気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられているので、電気化学反応に寄与する面積は小さくなってしまう。しかし固定端部に設けられた非配置領域の存在により、他の部材と筒状支持体との接合部と、高温となる電気化学反応部との距離が大きくなる。すると高温の電気化学反応部から接合部が受ける熱影響が小さくなるので、接合部の耐久性が向上する。また、接合部が電気化学反応部と比べて低温になるので、他の部材と筒状支持体との接合に用いる接合部材に、耐熱温度が比較的低いものを用いることができ、他の部材への電気化学素子の取り付けを容易かつ低コストにすることができる。さらに、前記筒状支持体に低コスト材料を使用できるため、非配置領域を設けても低コストな電気化学素子を実現できる。 Usually, the electrochemical reaction part is provided in as large an area as possible in order to promote the generation of the electrochemical reaction. According to the above characteristic configuration, among the axial ends of the cylindrical support, when the electrochemical element is attached to another member, the fixed end that is the end attached to the other member, Since the non-arrangement region where the electrochemical reaction part or the gas flow allowing part is not provided is provided, the area contributing to the electrochemical reaction is reduced. However, due to the presence of the non-arrangement region provided at the fixed end, the distance between the junction between the other member and the cylindrical support and the electrochemical reaction portion that becomes high temperature increases. Then, since the thermal influence which a junction part receives from a high temperature electrochemical reaction part becomes small, durability of a junction part improves. In addition, since the bonding portion is at a lower temperature than the electrochemical reaction portion, a bonding member having a relatively low heat-resistant temperature can be used as a bonding member used for bonding the other member and the cylindrical support. The electrochemical element can be easily and inexpensively attached to the battery. Furthermore, since a low-cost material can be used for the cylindrical support, a low-cost electrochemical element can be realized even if a non-arrangement region is provided.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられており、前記非配置領域のいずれかの部分に前記筒状支持体と前記他の部材とを電気的に絶縁する絶縁部材が設けられている点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is that, of the axial ends of the cylindrical support, the side attached to the other member when the electrochemical element is attached to the other member. A non-arrangement area where the electrochemical reaction part or the gas flow permissible part is not provided is provided at the fixed end part which is an end part, and the cylindrical support and the part are disposed in any part of the non-arrangement area An insulating member that electrically insulates other members is provided.
上記の特徴構成によれば、電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に、電気化学素子と他の部材とを電気的に絶縁する絶縁部材を電気化学反応部と比べて低い温度領域の部分に取り付けることができるため、絶縁部材に耐熱温度が比較的低い、低コストのものを用いることができる。 According to said characteristic structure, when an electrochemical element is attached to another member, the insulating member which electrically insulates an electrochemical element and another member is a part of a low temperature area compared with an electrochemical reaction part. Therefore, an insulating member having a relatively low heat resistant temperature and a low cost can be used.
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる点にある。 In order to achieve the above object, the electrochemical module according to the present invention includes a plurality of the above-described electrochemical elements, and one electrochemical element on the side opposite to the cylindrical support in the electrochemical reaction portion. And a plurality of the electric electrodes in a form in which the cylindrical supports of the other electrochemical devices are electrically connected and the axes of the plurality of cylindrical supports are parallel to each other. The chemical element is arranged in parallel.
上記の特徴構成によれば、一つの電気化学素子の電気化学反応部における筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の電気化学素子を並列配置して電気化学モジュールを構成するので、強度、耐久性および性能に優れた電気化学素子を用いて、耐久性および性能に優れた電気化学モジュールを簡単に実現することができる。 According to said characteristic structure, the form on the opposite side to the cylindrical support body in the electrochemical reaction part of one electrochemical element, and the cylindrical support body of another electrochemical element are electrically connected In addition, since the electrochemical module is configured by arranging a plurality of electrochemical elements in parallel in such a manner that the axes of the plurality of cylindrical supports are parallel to each other, electrochemical having excellent strength, durability and performance By using the element, an electrochemical module having excellent durability and performance can be easily realized.
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電気化学素子は、前記電気化学反応部の側方に前記電気化学反応部での反応に用いられる反応気体が供給される気体供給空間を有し、並列配置される複数の前記電気化学素子のうち隣接する2つの前記電気化学素子であって、前記電気化学反応部が他方の前記電気化学素子に接続される第1電気化学素子と、前記筒状支持体が前記第1電気化学素子に接続される第2電気化学素子に関し、前記第1電気化学素子の前記気体供給空間と前記第2電気化学素子の前記気体供給空間とが、前記第2電気化学素子の前記筒状支持体の側方を介して連通している点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention is that the electrochemical element has a gas supply space in which a reaction gas used for a reaction in the electrochemical reaction unit is supplied to a side of the electrochemical reaction unit. A plurality of the electrochemical elements adjacent to each other among the plurality of electrochemical elements arranged in parallel, wherein the electrochemical reaction portion is connected to the other electrochemical element; Regarding the second electrochemical element in which the cylindrical support is connected to the first electrochemical element, the gas supply space of the first electrochemical element and the gas supply space of the second electrochemical element are The second electrochemical element communicates with the side of the cylindrical support.
電気化学素子の気体供給空間が相互に連通していない場合、複数の電気化学素子の電気化学反応部の各々に対して反応気体を供給するための構造が必要となり、電気化学モジュールの構造が複雑になる。上記の特徴構成によれば、電気化学素子は、電気化学反応部の側方に電気化学反応部での反応に用いられる反応気体が供給される気体供給空間を有し、並列配置される複数の電気化学素子のうち隣接する2つの電気化学素子であって、電気化学反応部が他方の電気化学素子に接続される第1電気化学素子と、筒状支持体が第1電気化学素子に接続される第2電気化学素子に関し、第1電気化学素子の気体供給空間と第2電気化学素子の気体供給空間とが、第2電気化学素子の筒状支持体の側方を介して連通しているので、複数の電気化学素子の電気化学反応部への反応気体の供給を、より簡易な構成で実現することができる。すなわち電気化学反応部への反応気体の供給を、筒状支持体の内部から気体通流許容部を通じて行うとともに、筒状支持体の外部から相互に連通した気体供給空間を通じて行うことができ、もって電気化学モジュールの構造を簡略化することができる。 When the gas supply space of the electrochemical element is not in communication with each other, a structure for supplying the reaction gas to each of the electrochemical reaction portions of the plurality of electrochemical elements is required, and the structure of the electrochemical module is complicated. become. According to said characteristic structure, an electrochemical element has the gas supply space to which the reaction gas used for the reaction in an electrochemical reaction part is supplied to the side of an electrochemical reaction part, and is arranged in parallel Two electrochemical elements adjacent to each other among the electrochemical elements, the first electrochemical element having the electrochemical reaction portion connected to the other electrochemical element, and the cylindrical support connected to the first electrochemical element. With respect to the second electrochemical element, the gas supply space of the first electrochemical element and the gas supply space of the second electrochemical element communicate with each other through the side of the cylindrical support of the second electrochemical element. Therefore, the supply of the reaction gas to the electrochemical reaction parts of the plurality of electrochemical elements can be realized with a simpler configuration. That is, the reaction gas can be supplied to the electrochemical reaction part through the gas flow allowing part from the inside of the cylindrical support and through the gas supply space communicating with each other from the outside of the cylindrical support. The structure of the electrochemical module can be simplified.
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器を有し前記電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する点にある。 In order to achieve the above object, the electrochemical device according to the present invention is characterized in that a fuel having the electrochemical module and the reformer described above and supplying a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module. There exists a supply part and the inverter which takes out electric power from the said electrochemical module.
上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと改質器を有し電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有するので、耐久性および性能に優れた電気化学モジュールから電力を取り出すことができ、耐久性および性能に優れた電気化学装置を実現することができる。 According to said characteristic structure, the fuel supply part which has an electrochemical module and a reformer, supplies the fuel gas which contains a reducing component with respect to an electrochemical module, and the inverter which takes out electric power from an electrochemical module. Therefore, electric power can be taken out from the electrochemical module excellent in durability and performance, and an electrochemical device excellent in durability and performance can be realized.
上記目的を達成するための本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する点にある。 The characteristic configuration of the energy system according to the present invention for achieving the above object is that it has the above-described electrochemical device and an exhaust heat utilization part for reusing heat exhausted from the electrochemical device.
上記の特徴構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、耐久性および性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。 According to said characteristic structure, since it has the waste heat utilization part which reuses the heat | fever discharged | emitted from the electrochemical apparatus and the electrochemical apparatus, it is excellent in durability and performance, and also the energy system excellent in energy efficiency Can be realized.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記燃料極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第1気体が供給される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is a first configuration in which the fuel electrode is disposed between the electrolyte layer and the cylindrical support, and a reducing component is contained inside the cylindrical support. The point is that gas is supplied.
上記の特徴構成によれば、燃料極が電解質層と筒状支持体との間に配置され、筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第1気体が供給されるので、筒状支持体の気体通流許容部を通して燃料極に還元性成分を含有する第1気体を供給することができ、より簡便な構成で信頼性の高い電気化学素子を実現することができる。 According to the above characteristic configuration, the fuel electrode is disposed between the electrolyte layer and the cylindrical support, and the first gas containing the reducing component is supplied into the cylindrical support, so that the cylindrical support is provided. The first gas containing the reducing component can be supplied to the fuel electrode through the gas flow allowing portion of the body, and a highly reliable electrochemical device can be realized with a simpler configuration.
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に還元性成分を含有する前記第1気体を供給する第1気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第1気体供給部に接続されている点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention includes a first gas supply unit that supplies the first gas containing a reducing component to the inside of a cylindrical support of a plurality of the electrochemical elements, One of the ends of the electrochemical element is that one end in the axial direction of the cylindrical support is connected to the first gas supply unit.
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学素子の筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第1気体を供給する第1気体供給部を有し、電気化学素子の端部のうち筒状支持体の軸方向の一方の端部が第1気体供給部に接続されているので、電気化学モジュールを簡便に構成して信頼性を高めながら、複数の電気化学素子に第1気体を供給することができ、出力が大きく信頼性の高い電気化学モジュールを実現することができる。 According to said characteristic structure, it has the 1st gas supply part which supplies the 1st gas containing a reducing component in the inside of the cylindrical support body of a several electrochemical element, Out of the edge part of an electrochemical element Since one end of the cylindrical support in the axial direction is connected to the first gas supply unit, the first gas is supplied to the plurality of electrochemical elements while improving the reliability by simply configuring the electrochemical module. An electrochemical module that can be supplied and has high output and high reliability can be realized.
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して酸化性成分を含有する第2気体を供給する第2気体供給部を有する点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention includes a second gas supply unit that supplies a second gas containing an oxidizing component to the electrochemical reaction unit from the outside of the cylindrical support. It is in.
上記の特徴構成によれば、筒状支持体の外部から電気化学反応部に対して酸化性成分を含有する第2気体を供給する第2気体供給部を有するので、電気化学反応部に対して簡便な構成で酸化性成分を含有する第2気体を供給することができ、より簡便で信頼性の高い電気化学モジュールを実現することができる。 According to said characteristic structure, since it has a 2nd gas supply part which supplies the 2nd gas containing an oxidizing component with respect to an electrochemical reaction part from the exterior of a cylindrical support body, with respect to an electrochemical reaction part The second gas containing an oxidizing component can be supplied with a simple configuration, and a more simple and highly reliable electrochemical module can be realized.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記空気極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第3気体が供給される点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is a third feature in which the air electrode is disposed between the electrolyte layer and the cylindrical support, and an oxidizing component is contained inside the cylindrical support. The point is that gas is supplied.
上記の特徴構成によれば、空気極が電解質層と筒状支持体との間に配置され、筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第3気体が供給されるので、筒状支持体の気体通流許容部を通して空気極に酸化性成分を含有する第3気体を供給することができ、より簡便で信頼性の高い電気化学素子を実現することができる。 According to said characteristic structure, since an air electrode is arrange | positioned between an electrolyte layer and a cylindrical support body, and the 3rd gas containing an oxidizing component is supplied inside a cylindrical support body, a cylindrical support The third gas containing an oxidizable component can be supplied to the air electrode through the gas flow allowing portion of the body, and a simpler and more reliable electrochemical device can be realized.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する前記第3気体を供給する第3気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第3気体供給部に接続されている点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention includes a third gas supply unit that supplies the third gas containing an oxidizing component to the inside of a cylindrical support of the plurality of electrochemical devices, One of the ends of the electrochemical element is that one end in the axial direction of the cylindrical support is connected to the third gas supply unit.
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学素子の筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第3気体を供給する第3気体供給部を有し、電気化学素子の端部のうち筒状支持体の軸方向の一方の端部が第3気体供給部に接続されているので、電気化学モジュールを簡便に構成して信頼性を高めながら、複数の電気化学素子に第2気体を供給することができ、出力が大きく信頼性の高い電気化学モジュールを実現することができる。 According to said characteristic structure, it has the 3rd gas supply part which supplies the 3rd gas containing an oxidizing component in the inside of the cylindrical support body of a several electrochemical element, Out of the edge part of an electrochemical element Since one end of the cylindrical support in the axial direction is connected to the third gas supply unit, the second gas is supplied to the plurality of electrochemical elements while simply configuring the electrochemical module to improve reliability. An electrochemical module that can be supplied and has high output and high reliability can be realized.
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して還元性成分を含有する前記第4気体を供給する第4気体供給部を有する点にある。 Another characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention includes a fourth gas supply unit that supplies the fourth gas containing the reducing component to the electrochemical reaction unit from the outside of the cylindrical support. In the point.
上記の特徴構成によれば、筒状支持体の外部から電気化学反応部に対して還元性成分を含有する第4気体を供給する第4気体供給部を有するので、電気化学反応部に対して簡便な構成で還元性成分を含有する第4気体を供給することができ、より効率的に電気化学反応を行う電気化学モジュールを実現することができる。 According to said characteristic structure, since it has the 4th gas supply part which supplies 4th gas containing a reducing component with respect to an electrochemical reaction part from the exterior of a cylindrical support body, with respect to an electrochemical reaction part A fourth gas containing a reducing component can be supplied with a simple configuration, and an electrochemical module that performs an electrochemical reaction more efficiently can be realized.
<第1実施形態>
以下、第1実施形態に係るエネルギーシステム、電気化学装置、電気化学モジュールおよび電気化学素子について図面に基づいて説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, an energy system, an electrochemical device, an electrochemical module, and an electrochemical element according to a first embodiment will be described with reference to the drawings.
<エネルギーシステム、電気化学装置>
図1には、エネルギーシステムおよび電気化学装置の概要が示されている。
エネルギーシステムは、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器23とを有する。
電気化学装置は、電気化学モジュールMと、脱硫器1と改質器4とを有し電気化学モジュールMに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールMから電力を取り出すインバータ8とを有する。
<Energy system, electrochemical device>
FIG. 1 shows an overview of an energy system and an electrochemical device.
The energy system includes an electrochemical device and a
The electrochemical device has an electrochemical module M, a
詳しくは電気化学装置は、脱硫器1、改質水タンク2、気化器3、改質器4、ブロア5、燃焼部6、インバータ8、制御部9、収納容器10および電気化学モジュールMを有する。
Specifically, the electrochemical device includes a
脱硫器1は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去(脱硫)する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器1を備えることにより、硫黄化合物による改質器4あるいは電気化学素子Eに対する影響を抑制することができる。気化器3は、改質水タンク2から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器4は、気化器3にて生成された水蒸気を用いて脱硫器1にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。
The
電気化学モジュールMは、改質器4から供給された改質ガスと、ブロア5から供給された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部6は、電気化学モジュールMから排出される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。
The electrochemical module M uses the reformed gas supplied from the reformer 4 and the air supplied from the blower 5 to cause an electrochemical reaction to generate power. The
電気化学モジュールMは、複数の電気化学素子Eとガスマニホールド17とを有する。複数の電気化学素子Eは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Eの一方の端部(下端部)がガスマニホールド17に固定されている。電気化学素子Eは、ガスマニホールド17を通じて供給される改質ガスと、ブロア5から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
The electrochemical module M includes a plurality of electrochemical elements E and a
インバータ8は、電気化学モジュールMの出力電力を調整して、商用系統(図示省略)から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部9は電気化学装置およびエネルギーシステムの運転を制御する。 The inverter 8 adjusts the output power of the electrochemical module M to the same voltage and the same frequency as the power received from the commercial system (not shown). The control unit 9 controls the operation of the electrochemical device and the energy system.
気化器3、改質器4、電気化学モジュールMおよび燃焼部6は、収納容器10内に収納される。そして改質器4は、燃焼部6での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
The
原燃料は、昇圧ポンプ11の作動により原燃料供給路12を通して脱硫器1に供給される。改質水タンク2の改質水は、改質水ポンプ13の作動により改質水供給路14を通して気化器3に供給される。そして、原燃料供給路12は脱硫器1よりも下流側の部位で、改質水供給路14に合流されており、収納容器10外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器10内に備えられた気化器3に供給される。
The raw fuel is supplied to the
改質水は気化器3にて気化され水蒸気となる。気化器3にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路15を通して改質器4に供給される。改質器4にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス(還元性成分を有する第1気体)が生成される。改質器4にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路16を通して電気化学モジュールMのガスマニホールド17に供給される。
The reformed water is vaporized by the
ガスマニホールド17に供給された改質ガスは、複数の電気化学素子Eに対して分配され、電気化学素子Eとガスマニホールド17との接続部である下端から電気化学素子Eに供給される。改質ガス中の主に水素(還元性成分)が、電気化学素子Eにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、電気化学素子Eの上端から燃焼部6に排出される。
The reformed gas supplied to the
反応排ガスは燃焼部6で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口20から収納容器10の外部に排出される。燃焼排ガス排出口20には燃焼触媒部21(例えば、白金系触媒)が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去する。燃焼排ガス排出口20から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路22により熱交換器23に送られる。
The reaction exhaust gas is combusted in the
熱交換器23は、燃焼部6における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器23は、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
The
<電気化学モジュールM>
次に、図2を用いて電気化学モジュールMについて説明する。電気化学モジュールMは、電気化学素子Eを複数有し、一の電気化学素子Eの電気化学反応部43における筒状支持体31とは反対側の面と、他の電気化学素子Eの筒状支持体31とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の筒状支持体31の軸を相互に平行とする形態で、複数の電気化学素子Eを並列配置してなる。
<Electrochemical module M>
Next, the electrochemical module M will be described with reference to FIG. The electrochemical module M has a plurality of electrochemical elements E, the surface of the
また電気化学モジュールMは、複数の電気化学素子Eの筒状支持体31の内部に還元性成分を含有する第1気体を供給する第1気体供給部(ガスマニホールド17)を有し、電気化学素子Eの端部のうち筒状支持体31の軸方向の一方の端部が第1気体供給部に接続されている。
The electrochemical module M has a first gas supply unit (gas manifold 17) for supplying a first gas containing a reducing component into the
そして電気化学モジュールMは、筒状支持体31の外部から電気化学反応部43に対して酸化性成分を含有する第2気体(空気)を供給する第2気体供給部(ブロア5)を有する。
And the electrochemical module M has the 2nd gas supply part (blower 5) which supplies the 2nd gas (air) containing an oxidizing component with respect to the
なお電気化学素子Eが他の部材(本実施形態ではガスマニホールド17)に取り付けられる際には、筒状支持体31の軸方向の端部のうち一方の端部が当該他の部材に固定されて、電気化学素子Eが他の部材に片持ち支持される。
When the electrochemical element E is attached to another member (in this embodiment, the gas manifold 17), one end of the end portions in the axial direction of the
詳しくは図2(a)および(b)に示されるように、電気化学モジュールMは電気化学素子E、ガスマニホールド17、集電部材26、終端部材27および電流引出し部28を有する。
Specifically, as shown in FIGS. 2A and 2B, the electrochemical module M includes an electrochemical element E, a
電気化学素子Eは、中空の筒である筒状支持体31の表面に電気化学反応部43を備えて構成されており、全体として長尺な平板あるいは平棒の形状をとる。そして電気化学素子Eの長手方向の一方の端部が、ガスマニホールド17に対してガラスシール材等の接着部材により固定されている。筒状支持体31とガスマニホールド17との間は電気的に絶縁されている。
The electrochemical element E includes an
また筒状支持体31とガスマニホールド17との接続は、改質器4からガスマニホールド17に供給される改質ガスを、ガスマニホールド17から筒状支持体31へと供給することが可能なように、筒状支持体31の内部(後述する改質ガス通流部36)とガスマニホールド17の内部空間(図示省略)とを連通させた状態で行われる。筒状支持体31とガスマニホールド17との接続部は、改質ガスが漏出しないように、また筒状支持体31に空気が流入しないように、気密に保たれる。
Further, the connection between the
電気化学素子Eの電気化学反応部43は、全体として膜状に構成される。電気化学反応部43の表裏の面のうち、筒状支持体31と反対側の面に、接着材29によって集電部材26が接着されている。そして別の電気化学素子Eの背面39と集電部材26とを接触させた状態あるいは溶接等により接合した状態で、複数の電気化学素子Eが並列配置されている。
The
集電部材26には、導電性と、気体透過性と、電気化学素子Eの並列配置の方向に弾性とを有する部材が用いられる。例えば集電部材26には、金属箔を用いたエキスパンドメタルや金属メッシュ、フェルト様部材が用いられる。接着材29には、導電性と気体透過性とを有する材料が用いられる。例えば接着材29には、セラミック系接着材が用いられる。これにより集電部材26および接着材29は気体透過性・気体通流性を有し、ブロア5から供給される空気が集電部材26および接着材29を透過または通流して電気化学反応部43に供給される。
As the current collecting
また集電部材26が電気化学素子Eの並列配置の方向に弾性を有するので、ガスマニホールド17に片持ち支持された筒状支持体31は並列配置の方向にも変位することができ、振動や温度変化等の外乱に対する電気化学モジュールMのロバスト性が高められる。
Further, since the current collecting
並列配置された複数の電気化学素子Eは、一対の終端部材27に挟持されている。終端部材27は、導電性を有し弾性変形可能な部材であり、その下端がガスマニホールド17に固定されている。終端部材27には、電気化学素子Eの並列配置の方向に沿って外側に向けて延びる電流引出し部28が接続されている。電流引出し部28はインバータ8に接続され、電気化学素子Eの発電により生じる電流をインバータ8へ送る。
A plurality of electrochemical elements E arranged in parallel are sandwiched between a pair of
図2に示す通り、並列配置された電気化学素子Eは、電気化学反応部43の側方に電気化学反応部43での反応に用いられる空気(反応気体、酸化性成分を含有する第2気体)が供給される気体供給空間Sを有する。そして複数の電気化学素子Eが有する気体供給空間Sは、筒状支持体31の側方で互いに連通し、ひと繋がりの空間となっている。ここで電気化学反応部43の側方とは、筒状支持体31の軸方向と電気化学反応部43の並列配置の方向との両方に直交する方向である。
As shown in FIG. 2, the electrochemical elements E arranged in parallel have air (reaction gas, second gas containing an oxidative component) used for the reaction in the
図2を用いて詳しく説明すると、電気化学素子E1は気体供給空間S1を有し、電気化学素子E2は気体供給空間S2を有し、電気化学素子E3は気体供給空間S3を有する。そして気体供給空間S1と気体供給空間S2とが、電気化学素子E2の筒状支持体31の側方を介して連通している。また気体供給空間S2と気体供給空間S3とが、電気化学素子E3の筒状支持体31の側方を介して連通している。なお図2では気体供給空間Sの矢印は電気化学反応部43の図中上側を指しているが、電気化学反応部43の図中下側の側方にも気体供給空間Sが存在している。
If it demonstrates in detail using FIG. 2, the electrochemical element E1 will have gas supply space S1, the electrochemical element E2 will have gas supply space S2, and the electrochemical element E3 will have gas supply space S3. And gas supply space S1 and gas supply space S2 are connected via the side of the
すなわち、並列配置される複数の電気化学素子Eのうち隣接する2つの電気化学素子(E1、E2)であって、電気化学反応部43が他方の電気化学素子E2に接続される第1電気化学素子E1と、筒状支持体31が第1電気化学素子E1に接続される第2電気化学素子E2に関し、第1電気化学素子E1の気体供給空間S1と第2電気化学素子E2の気体供給空間S2とが、第2電気化学素子E2の筒状支持体31の側方を介して連通している。
That is, the first electrochemical in which two adjacent electrochemical elements (E1, E2) among the plurality of electrochemical elements E arranged in parallel are connected to the other electrochemical element E2. Regarding the element E1 and the second electrochemical element E2 in which the
このように気体供給空間Sは相互に連通しているから、ブロア5から収納容器10の内部に供給された空気は、気体供給空間Sに到達し、電気化学反応部43へと供給される。また筒状支持体31の内部(改質ガス通流部36)にガスマニホールド17から改質ガスが供給され、もって改質ガスが電気化学反応部43へと供給される。これにより電気化学反応部43にて反応が進行する。
Since the gas supply spaces S communicate with each other in this way, the air supplied from the blower 5 to the inside of the
<電気化学素子E>
図3〜5に電気化学素子Eの概略構成が示されている。電気化学素子Eは、導電性を有する筒状支持体31と、電気化学反応部43とを有し、電気化学反応部43は、膜状の電解質層46と、膜状の燃料極44と、膜状の空気極48とを有し、電解質層46は燃料極44と空気極48との間に配置され、筒状支持体31は、筒状支持体31の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部P2と、筒状支持体31の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部P1とを有し、電気化学反応部43が筒状支持体31の外側に気体通流許容部P2の一部または全部を覆って配置される。
<Electrochemical element E>
The schematic structure of the electrochemical element E is shown by FIGS. The electrochemical element E includes a
<筒状支持体31>
筒状支持体31は、長方形の平板部材32と、長手方向に直交する断面がU字状のU字部材33と、蓋部34とを有する。平板部材32の長辺とU字部材33の長辺(U字の2つの頂点に対応する辺)とが接合され、一方の端部が蓋部34で塞がれている。これにより、内部に空間を有し全体として平板あるいは平棒状の筒状支持体31が構成される。平板部材32は、筒状支持体31の中心軸に対して平行に配置される。
<
The
筒状支持体31の内部の空間が改質ガス通流部36として機能する。蓋部34に反応排ガス排出口37が形成される。蓋部34が設けられる端部に対向する反対側の端部は開口しており、改質ガス流入口35として機能する。
The space inside the
平板部材32、U字部材33および蓋部34の材料としては、導電性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル基合金などが用いられる。すなわち筒状支持体31は堅牢に構成される。特にフェライト系ステンレス鋼が好適に用いられる。なお、後述する気体通流禁止部P1を構成するために、平板部材32、U字部材33および蓋部34は気体を透過しない材料で形成する必要がある。
As the material of the
筒状支持体31の材料にフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、電気化学反応部43にて材料に用いられるYSZ(イットリウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア、CGOとも呼ぶ)等と熱膨張係数が近くなる。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Eがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Eを実現できるので好ましい。
When ferritic stainless steel is used as the material of the
なお筒状支持体31の材料としては、熱伝導率が3Wm-1K-1を上回る材料を用いることが好ましく、10Wm-1K-1を上回る材料であればさらに好ましい。例えばステンレス鋼であれば熱伝導率が15〜30Wm-1K-1程度であるため、筒状支持体31の材料として好適である。
Incidentally as the material of the
また、筒状支持体31の材料としては、脆性破壊を起こさない高靱性材料である事がさらに望ましい。セラミックス材料などと比較して金属材料は高靱性であり、筒状支持体31として好適である。
Further, the material of the
平板部材32には、平板部材32の表面と裏面とを貫通して複数の貫通孔38が設けられる。この貫通孔38を通して筒状支持体31の内側と外側との間で気体の通流が可能となっている。すなわち、複数の貫通孔38が設けられている領域(穿孔領域P2)が、気体通流許容部(P2)として機能する。他方、平板部材32やU字部材33における貫通孔38が設けられない領域は、筒状支持体31の内側と外側との間で気体が通流できない。したがって当該領域は気体通流禁止部(P2)として機能する。
The
<電気化学反応部43>
図4および図5に示されるように、電気化学反応部43は、燃料極44、中間層45、電解質層46、中間層47および空気極48を有し、本実施形態においては、この順番にて平板部材32に積層される。なお電気化学素子Eにおいて電気化学反応部43の側方の全部または一部を覆う部材は設けられず、電気化学反応部43の側方は開放されている。
<
As shown in FIGS. 4 and 5, the
燃料極44は、平板部材32の貫通孔38が設けられた穿孔領域P2(気体通流許容部P2)より大きな領域に、膜の状態で設けられる。燃料極44の材料としては、例えばNiO−酸化セリウム(セリア)を主成分とするもの、Ni−酸化セリウム(セリア)を主成分とするもの、NiO−ジルコニアを主成分とするもの、Ni−ジルコニアを主成分とするもの、CuO−酸化セリウム(セリア)を主成分とするもの、Cu−酸化セリウム(セリア)を主成分とするものなどのサーメット材を用いることができる。なお、酸化セリウム(セリア)、ジルコニア等あるいはこれらに異種元素をドープした固溶体をサーメット材の骨材と呼ぶ。燃料極44は、気体透過性を具備するように形成される。例えば、燃料極44の表面および内部に微細な複数の細孔を有するように構成される。
The
燃料極44は、低温焼成法(例えば1400℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば1100℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法)やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域での使用可能なプロセスにより、例えば1400℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば1100℃程度以下の低温域での処理によって、良好な燃料極44が得られる。そのため、金属製の平板部材32を傷めることなく、また、金属製の平板部材32と燃料極44との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Eを実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
The
中間層45は、燃料極44と電解質層46との間に膜の状態で設けられる。中間層45の材料としては、例えば、酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等を用いることができる。中間層45を燃料極44と電解質層46との間に導入することにより、電気化学反応部43の性能や信頼性、耐久性を向上できる。
The
電解質層46は、中間層45と中間層47との間に膜状で設けられる。電解質層46の材料としては、種々のジルコニア系材料、酸化セリウム系材料、種々のペロブスカイト系複合酸化物等の固体電解質材料を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層46をジルコニア系セラミックスにすると、電気化学素子Eの稼働時の温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができ、非常に高効率な電気化学装置を構成することができる。
The
電解質層46は、低温焼成法(例えば1400℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば1100℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法)やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1400℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば1100℃程度以下の低温域での処理によって、緻密で気密性の高い電解質層46が得られる。そのため、金属製の平板部材32と燃料極44との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Eを実現できる。
The
電解質層46は、気密性を保つために緻密に構成される。なお、電解質層46に、相対密度が90%以上である層が含まれることが好ましい。また、相対密度が95%以上である層が含まれることがより好ましく、更には、相対密度が98%以上である層が含まれることが好ましい。このように、相対密度が高い電解質層とすることで緻密な電解質層とすることができる。なお、ここで相対密度とは、電解質材料の理論密度に対して実際に形成された電解質層46の密度の割合を表す。
The
中間層47は、電解質層46と空気極48との間に膜状で設けられる。中間層47の材料としては、例えば酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等が用いられる。中間層47を空気極48と電解質層46との間に導入することにより、空気極48の構成材料と電解質層46の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学反応部43の性能の長期安定性を向上できる。
The
空気極48は、中間層47の上に膜状で設けられる。空気極48の材料としては、例えば、LSCF(La−Sr−Co−Fe系酸化物)、LSC(La−Sr−Co系酸化物)、LSM(La−Sr−Mn系酸化物)等の複合酸化物を用いることができる。なお、空気極48は、低温焼成法(例えば1400℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば1100℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法)やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば1400℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば1100℃程度以下の低温域での処理によって、良好な空気極48が得られる。そのため、金属製の平板部材32を傷めることなく、また、平板部材32と燃料極44との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Eを実現できるので好ましい。
The
電気化学反応部43は、平板部材32における複数の貫通孔38が設けられている穿孔領域P2、すなわち気体通流許容部P2の一部または全部を覆って配置される。本実施形態では図4に示されるように、電気化学反応部43が穿孔領域P2の全部を覆っている。電気化学反応部43の電解質層46は、穿孔領域P2の全部を覆い、かつ、燃料極44の全部を覆い、かつ、中間層45の全部を覆っている。電解質層46は、平板部材32の穿孔領域P2(気体通流許容部P2)と、平板部材32における貫通孔38が設けられていない領域(気体通流禁止部P1)とにわたって(跨って)設けられる。すなわち、電解質層46は平板部材32の気体通流許容部P2に接触して設けられている。これにより電気化学反応部43と筒状支持体31との結合を強くしている。
The
以上のように構成した電気化学素子Eは、電気化学モジュールMとして構成され、以下のように動作し、発電することができる。 The electrochemical device E configured as described above is configured as an electrochemical module M, and operates as follows to generate electric power.
電気化学素子Eは、図2および図6に示されるように、複数の電気化学素子Eが集電部材26および接着材29を介して電気的に接続された状態で、ガスマニホールド17に並列配置される。そして蓋部34および反応排ガス排出口37が設けられた端部と反対側の端部(図5における紙面中下方の端部)が、ガスマニホールド17に対して固定される。ガスマニホールド17は、改質ガス流入口35に対して改質ガスを供給する。なお、電気化学素子Eは700℃程度の作動温度に維持される。
As shown in FIGS. 2 and 6, the electrochemical element E is arranged in parallel with the
改質ガス流入口35に供給された改質ガスは、改質ガス通流部36を通って反応排ガス排出口37に向けて流れる。その途中で、改質ガスの一部は貫通孔38を通って筒状支持体31の内側から外側へと流出し、電気化学反応部43の燃料極44に到達する。一方、ブロア5から収納容器10に供給された空気が、電気化学素子Eの気体供給空間Sに到達する。そして気体供給空間Sから空気が、集電部材26および接着材29を通って、あるいは電気化学反応部43の側方から直接、電気化学反応部43の空気極48に到達する。
The reformed gas supplied to the reformed
そうすると、空気極48において空気に含まれる酸素O2が電子e-と反応して酸素イオンO2-が生成される。その酸素イオンO2-が電解質層46を通って燃料極44へ移動する。燃料極44においては、供給された改質ガスに含まれる水素H2が酸素イオンO2-と反応し、水H2Oと電子e-が生成される。また、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素COが酸素イオンO2-と反応し、二酸化炭素CO2と電子e-が生成される。以上の反応により、燃料極44と空気極48との間に起電力が発生する。
As a result, the oxygen O 2 contained in the air reacts with the electrons e − at the
一つの電気化学反応部43の空気極48に接着材29を介して集電部材26が接続され、その集電部材26が他の筒状支持体31の背面39に接触する。このようにして複数の電気化学素子Eが直列に接続されているので、電気化学素子Eに発生した起電力が足し合わされた電圧が、電流引出し部28に生じる。
The current collecting
改質ガス通流部36の終端まで到達した改質ガスは、電気化学反応部43で消費されなかった残余の水素ガスと共に、反応排ガスとして反応排ガス排出口37より電気化学素子Eの外部に排出される。反応排ガス排出口37より排出された反応排ガスは、ブロア5から収納容器10に供給された空気と混合され、反応排ガス排出口37の近傍の燃焼部6にて燃焼し、改質器4を加熱する。
The reformed gas that has reached the end of the reformed
次に図7を参照して、電気化学素子Eの製造の手順を説明する。
まず、平板部材32に複数の貫通孔38を形成する(図7(a))。貫通孔38の形成は、例えばレーザー加工等により行うことができる。これにより、平板部材32に選択的に気体通流許容部P2(穿孔領域P2)と気体通流禁止部P1とが設けられる。
Next, with reference to FIG. 7, the manufacturing procedure of the electrochemical element E will be described.
First, a plurality of through
次に、平板部材32の穿孔領域P2の全体を覆って、電気化学反応部43を設ける。電気化学反応部43は、燃料極44、中間層45、電解質層46、中間層47、空気極48の順に設けられる。これらは全て膜の状態で平板部材32の上に形成される。電気化学反応部43の形成は、印刷やスプレー等による湿式法、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などを適宜用いて行うことができる。
Next, an
最後に、U字部材33と、あらかじめ反応排ガス排出口37を形成した蓋部34とを平板部材32に接合する。各部材の接合には、溶接等の適宜の方法を用いることができる。
Finally, the
<第2実施形態>
上述の第1実施形態では、電気化学反応部43は、燃料極44、中間層45、電解質層46、中間層47、空気極48の順に平板部材32に設けられた。そして筒状支持体31の内部に水素ガスを含有する改質ガスがガスマニホールド17から供給され、筒状支持体31の外部にブロア5から空気が供給され、電気化学反応が進行する。
Second Embodiment
In the first embodiment described above, the
第2実施形態では、電気化学素子Eの電気化学反応部43において、空気極48が電解質層46と筒状支持体31との間に配置され、筒状支持体31の内部に酸化性成分を含有する第3気体(空気)が供給される。そして電気化学モジュールMは、複数の電気化学素子Eの筒状支持体31の内部に酸化性成分を含有する第3気体(空気)を供給する第3気体供給部(ガスマニホールド17)を有し、電気化学素子Eの端部のうち筒状支持体31の軸方向の一方の端部が第3気体供給部に接続されている。さらに電気化学モジュールMは、筒状支持体31の外部から電気化学反応部43に対して還元性成分を含有する第4気体(改質ガス)を供給する第4気体供給部(改質器4)を有する。
In the second embodiment, in the
図8に第2実施形態に係る電気化学素子Eの断面を示す。電気化学反応部43は、空気極48、中間層47、電解質層46、中間層45、燃料極44の順に平板部材32に設けられる。すなわち、第1実施形態とは逆の順番で設けられる。
FIG. 8 shows a cross section of an electrochemical element E according to the second embodiment. The
第2実施形態に係る電気化学モジュールMについては図示を省略するが、電気化学反応部43の燃料極44に、接着材29によって集電部材26が接着される。そして別の電気化学素子Eの背面39と集電部材26とを接触させる状態で、複数の電気化学素子Eが並列配置される。
Although not shown for the electrochemical module M according to the second embodiment, the current collecting
ガスマニホールド17から電気化学素子Eの筒状支持体31の内部に、空気が供給される。筒状支持体31の気体通流許容部P2(穿孔領域P2)を通じて、電気化学反応部43の空気極48に、ガスマニホールド17から供給された空気が供給される。
Air is supplied from the
収納容器10の内部に、改質器4から改質ガスが供給され、電気化学素子Eの気体供給空間Sに到達する。そして気体供給空間Sから改質ガスが、集電部材26および接着材29を透過または通流して、あるいは電気化学反応部43の側方から直接、電気化学反応部43の燃料極44に供給される。そして、上述した第1実施形態と同様に電気化学反応部43において発電反応(電気化学反応)が進行する。
The reformed gas is supplied from the reformer 4 into the
<第3実施形態>
上述した第1実施形態では、筒状支持体31の改質ガス流入口35から流入した改質ガスは、改質ガス通流部36を流れ、反応排ガス排出口37を通って電気化学素子Eの外部に排出された。第3実施形態では、反応排ガスはガスマニホールド17へ導かれ、燃料として再利用される。
<Third Embodiment>
In the first embodiment described above, the reformed gas that has flowed from the reformed
図9に第3実施形態に係る電気化学素子Eを示す。筒状支持体31の改質ガス通流部36に、仕切板51が配置される。反応排ガス排出口37は蓋部34には設けられず、改質ガス流入口35が設けられた端部に設けられている。ガスマニホールド17から改質ガス流入口35に供給された改質ガスは、改質ガス通流部36を流れて筒状支持体31の反対側の端部(蓋部34が設けられた端部)に到達し、そこで折り返してガスマニホールド17に向かって流れ、反応排ガス排出口37からガスマニホールド17へと流出する。ガスマニホールド17に流入した反応排ガスは、所定の処理の後、改質ガスと混合されて電気化学素子Eに供給され、電気化学反応部43での反応に供される。
FIG. 9 shows an electrochemical element E according to the third embodiment. A
<第4実施形態>
上述した第1〜第3実施形態においては、筒状支持体31における気体通流許容部P2は、平板部材32に貫通孔38を形成し穿孔領域P2として設けられていた。そして、電解質層46が気体通流許容部P2の全体を覆って配置され、筒状支持体31の内外の気密を確保していた。
<Fourth embodiment>
In the first to third embodiments described above, the gas flow allowing portion P2 in the
第4実施形態では、気体通流許容部P2は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材61を筒状支持体31の側面に設けられた開口部62に固定して形成される。そして、電解質層46の端部に筒状支持体31の内部からの気体の漏れを防止するシール材65が設けられる。
In the fourth embodiment, the gas flow allowing portion P2 is formed by fixing a gas
図10に示す通り、第4実施形態に係る筒状支持体31では、平板部材32に設けられた開口部62に、気体透過部材61が嵌め込まれている。平板部材32には、上述の他の実施形態と同様の材料である、導電性と気体不透過性を有する金属や金属酸化物が用いられる。気体透過部材61には、導電性と気体透過性を有する材料が用いられる。例えば、多孔質金属や金属酸化物が用いられる。筒状支持体31における気体透過部材61が嵌め込まれた領域が気体通流許容部P2となり、平板部材32の領域が気体通流禁止部P1となる。
As shown in FIG. 10, in the
図11に示す通り、第4実施形態に係る電気化学反応部43は気体透過部材61の一部を覆って設けられる。電気化学反応部43の電解質層46は、気体透過部材61の一部を覆い、かつ燃料極44の全部を覆い、かつ、中間層45の全部を覆っている。
As shown in FIG. 11, the
そして電解質層46の端部に、シール材65が設けられる。気体透過部材61における電解質層46が覆っていない領域と、燃料極44および中間層45の端面、電解質層46の端面および上面の一部を、シール材65が覆う。シール材65としては、絶縁性と気体不透過性、気密性を有する材料が用いられる。例えば、ガラスシール材等が用いられる。シール材65により、筒状支持体31の内部からの気体の漏出が防止される。
A sealing
<第5実施形態>
上述した第1〜第4実施形態において電気化学反応部43は、電気化学反応部43をできるだけ長くして電気化学反応を促進するよう、筒状支持体31の軸方向に沿って、反応排ガス排出口37が設けられた端部から、改質ガス流入口35が設けられた端部に渡って形成されている。一方、図12に示される第5実施形態において電気化学反応部43は、筒状支持体31の軸方向に沿って、反応排ガス排出口37が設けられた端部から、筒状支持体31の軸方向の長さの4/5〜5/6の長さに渡って設けられている。
<Fifth Embodiment>
In the first to fourth embodiments described above, the
そして、改質ガス流入口35が設けられた端部から筒状支持体31の軸方向の長さの1/5〜1/6の長さの領域には、気体通流許容部P2および電気化学反応部43は設けられておらず、気体通流禁止部P1が設けられている。換言すれば、第5実施形態に係る電気化学素子Eには、改質ガス流入口35が設けられた端部から筒状支持体31の軸方向の長さの1/5〜1/6の長さの領域に、電気化学反応部43が設けられない非配置領域P3が設けられている。非配置領域P3は、筒状支持体31の平面部すなわち平板部材32に設けられた領域である。
Further, in the region from the end where the reformed
電気化学素子Eがガスマニホールド17(他の部材)に取り付けられる際は、改質ガス流入口35が設けられた端部の側において電気化学素子Eとガスマニホールド17とが、ガラスシール材等の接合部材(絶縁部材の機能も有する)により接合される。すなわち、筒状支持体31の軸方向の端部のうち、電気化学素子Eが他の部材(ガスマニホールド17)に取り付けられる際に他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、電気化学反応部43が設けられない非配置領域P3が設けられている
When the electrochemical element E is attached to the gas manifold 17 (other member), the electrochemical element E and the
非配置領域P3と電気化学反応部43の大きさ、すなわち筒状支持体31の軸方向に沿った長さは、電気化学素子Eの使用時の温度、筒状支持体31の材質等を考慮して決定されるが、非配置領域P3の長さを筒状支持体31の長さの1/5〜1/6とし、電気化学反応部43の長さを筒状支持体31の平面の長さの4/5〜5/6とすると、例えば電気化学素子Eを燃料電池として使用した場合、電気化学反応部43の温度を約700℃程度としても、筒状支持体31とガスマニホールド17との接合部は約600℃以下とすることができるため、高温の電気化学反応部43から接合部が受ける熱影響が小さくなるので、接合部の耐久性が向上する。また、接合部が電気化学反応部43と比べて低温になるので、ガスマニホールド17と筒状支持体31との接合に用いる接合部材に、耐熱温度が比較的低いものを用いることができ、ガスマニホールド17への電気化学素子Eの取り付けを容易かつ低コストにすることができる。
The size of the non-arrangement region P3 and the
<別実施形態>
(1)以上の実施形態では、電気化学素子Eが燃料電池セルとして動作して発電した。電気化学素子Eを、水を電気分解して水素を生成する固体酸化物形電解セル(SOEC)として動作させてもよい。
<Another embodiment>
(1) In the above embodiment, the electrochemical element E operated as a fuel battery cell to generate power. The electrochemical element E may be operated as a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by electrolyzing water.
(2)筒状支持体31の材料として、導電性を有する金属酸化物を用いることもできる。例えば、(La,Ca)CrO3(カルシウムドープランタンクロマイト)に代表される金属酸化物等を用いることもできる。
(2) As a material of the
(3)以上の実施形態では、筒状支持体31を平板部材32とU字部材33を接合して構成したが、3つ以上の部材を接合して構成してもよい。例えば筒状支持体31を、4枚の平板を接合して中空の四角柱として構成してもよい。また、筒状支持体31を1つの部材から構成してもよい。例えば、筒状支持体31を断面が円形、四角形や楕円形のパイプから作成してもよいし、断面が長円(平行な2辺とそれらをつなぐ円弧からなる断面)となる筒状平板から構成してもよい。また、筒状支持体31は、平板部材32とU字部材33の別体の接合によらず深絞りプレス加工等により一体材料により形成しても良い。
(3) In the above embodiment, the
(4)以上の実施形態では、電気化学反応部43が燃料極44、中間層45、電解質層46、中間層47および空気極48を有していたが、中間層45または中間層47、あるいは中間層45および中間層47の両方を備えない構成も可能である。
(4) In the above embodiment, the
(5)以上の実施形態では、電気化学反応部43が筒状支持体31の外側に配置されていたが、筒状支持体31の内側に配置することも可能である。
(5) In the above embodiment, the
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 Note that the configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in the other embodiments as long as no contradiction arises. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
1 :脱硫器
4 :改質器
5 :ブロア(第2気体供給部)
8 :インバータ
17 :ガスマニホールド(第1気体供給部、第3気体供給部)
23 :熱交換器(排熱利用部)
31 :筒状支持体
32 :平板部材(平面部)
38 :貫通孔
43 :電気化学反応部
44 :燃料極
45 :中間層
46 :電解質層
47 :中間層
48 :空気極
61 :気体透過部材
62 :開口部
65 :シール材
E :電気化学素子
E1 :第1電気化学素子
E2 :第2電気化学素子
M :電気化学モジュール
P1 :気体通流禁止部
P2 :気体通流許容部(穿孔領域)
P3 :非配置領域
S :気体供給空間
1: Desulfurizer 4: Reformer 5: Blower (second gas supply unit)
8: Inverter 17: Gas manifold (first gas supply unit, third gas supply unit)
23: Heat exchanger (exhaust heat utilization part)
31: Cylindrical support 32: Flat plate member (plane part)
38: Through-hole 43: Electrochemical reaction part 44: Fuel electrode 45: Intermediate layer 46: Electrolyte layer 47: Intermediate layer 48: Air electrode 61: Gas permeable member 62: Opening part 65: Sealing material E: Electrochemical element E1: 1st electrochemical element E2: 2nd electrochemical element M: Electrochemical module P1: Gas flow prohibition part P2: Gas flow permission part (perforation area)
P3: Non-arrangement area S: Gas supply space
Claims (24)
前記電気化学反応部は、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有し、前記電解質層は前記燃料極と前記空気極との間に配置され、
前記筒状支持体は、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部と、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部とを有し、
前記電気化学反応部が前記筒状支持体の外側または内側に前記気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される電気化学素子。 An electrochemical element having a cylindrical support having conductivity and an electrochemical reaction part,
The electrochemical reaction unit includes a membrane electrolyte layer, a membrane fuel electrode, and a membrane air electrode, and the electrolyte layer is disposed between the fuel electrode and the air electrode,
The cylindrical support includes a gas flow allowing portion that allows gas to flow between the inside and the outside of the cylindrical support, and a gas flow between the inside and the outside of the cylindrical support. A gas flow prohibition section that prohibits flow,
An electrochemical element in which the electrochemical reaction part is disposed outside or inside the cylindrical support so as to cover a part or all of the gas flow allowing part.
Among the axial ends of the cylindrical support, when the electrochemical element is attached to another member, the electrochemical reaction portion is fixed to the fixed end that is the end attached to the other member. Alternatively, a non-arrangement region where the gas flow allowing portion is not provided is provided, and an insulating member that electrically insulates the cylindrical support and the other member in any part of the non-arrangement region. The electrochemical device according to any one of claims 1 to 11, which is provided.
並列配置される複数の前記電気化学素子のうち隣接する2つの前記電気化学素子であって、前記電気化学反応部が他方の前記電気化学素子に接続される第1電気化学素子と、前記筒状支持体が前記第1電気化学素子に接続される第2電気化学素子に関し、
前記第1電気化学素子の前記気体供給空間と前記第2電気化学素子の前記気体供給空間とが、前記第2電気化学素子の前記筒状支持体の側方を介して連通している請求項13に記載の電気化学モジュール。 The electrochemical element has a gas supply space in which a reaction gas used for a reaction in the electrochemical reaction unit is supplied to a side of the electrochemical reaction unit,
Two adjacent electrochemical elements among the plurality of electrochemical elements arranged in parallel, the first electrochemical element having the electrochemical reaction portion connected to the other electrochemical element, and the tubular shape A second electrochemical element having a support connected to the first electrochemical element;
The gas supply space of the first electrochemical element and the gas supply space of the second electrochemical element communicate with each other via a side of the cylindrical support of the second electrochemical element. 14. The electrochemical module according to 13.
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