JP6637156B2 - Flat plate electrochemical cell - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、平板型電気化学セルに関する。   Embodiments of the present invention relate to a flat-plate electrochemical cell.

新エネルギーの一つとして、水素が挙げられる。水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。   One of the new energies is hydrogen. 2. Description of the Related Art As a field of using hydrogen, a fuel cell that converts chemical energy into electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen has attracted attention. Fuel cells have high energy use efficiency and are being developed as large-scale distributed power sources, home power sources, and mobile power sources.

燃料電池は、電解質の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分けられる。発電効率等の観点から、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が注目されている。SOFCは、電解質に固体酸化物を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る。一方、固体酸化物形電解セル(SOEC)は、SOFCと同様の構造を有するものであり、SOFCの逆反応により水素を製造する。以下、これらをまとめて電気化学装置と記す。   Fuel cells are classified into a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid oxide type and the like according to the type of the electrolyte. From the viewpoint of power generation efficiency and the like, a solid oxide fuel cell (SOFC) has attracted attention. SOFCs obtain electric energy by an electrochemical reaction using a solid oxide as an electrolyte. On the other hand, a solid oxide electrolytic cell (SOEC) has a structure similar to that of an SOFC, and produces hydrogen by a reverse reaction of the SOFC. Hereinafter, these are collectively referred to as an electrochemical device.

図7は、電気化学装置の一例を示す断面図である。電気化学装置100は、複数の構成単位110が積層されて構成される。各構成単位110は、セパレータ120、平板型電気化学セル130、およびシール材140を有する。   FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an example of the electrochemical device. The electrochemical device 100 is configured by stacking a plurality of constituent units 110. Each structural unit 110 has a separator 120, a flat electrochemical cell 130, and a sealant 140.

セパレータ120は、例えば、底部121、壁部122、および流路123を有する。底部121および壁部122は、平板型電気化学セル130を収容する凹部124を形成する。流路123は、壁部122の内部を厚さ方向に貫通する。流路123は、平板型電気化学セル130への反応ガスの供給等に利用される。   The separator 120 has, for example, a bottom 121, a wall 122, and a channel 123. The bottom 121 and the wall 122 form a recess 124 that houses the flat electrochemical cell 130. The channel 123 penetrates through the inside of the wall 122 in the thickness direction. The flow channel 123 is used for supplying a reaction gas to the flat electrochemical cell 130 and the like.

平板型電気化学セル130は、例えば、電解質部131、空気極132、燃料極133、および支持体134を有する。電解質部131は、反応ガスが透過しないように緻密に形成される。空気極132は、電解質部131の一方の主面上に配置され、周囲に電解質部131を露出させるように形成される。燃料極133および支持体134は、電解質部131の他方の主面上にこの順に配置される。空気極132、燃料極133、および支持体134は、いずれも多孔質に形成される。   The flat electrochemical cell 130 has, for example, an electrolyte part 131, an air electrode 132, a fuel electrode 133, and a support 134. The electrolyte part 131 is formed densely so that the reaction gas does not permeate. The air electrode 132 is arranged on one main surface of the electrolyte part 131 and is formed so as to expose the electrolyte part 131 to the periphery. The fuel electrode 133 and the support 134 are arranged in this order on the other main surface of the electrolyte part 131. The air electrode 132, the fuel electrode 133, and the support 134 are all porous.

シール材140は、セパレータ120および平板型電気化学セル130とその直上の構成単位110との間に配置されてこれらを接合する。具体的には、電解質部131の露出部分とその直上の構成単位110とを接合する。また、セパレータ120の壁部122の内側部分とその直上の構成単位110とを接合する。   The sealing material 140 is arranged between the separator 120 and the flat-plate type electrochemical cell 130 and the structural unit 110 directly above the separator 120 and the flat-type electrochemical cell 130 and joins them. Specifically, the exposed part of the electrolyte part 131 and the structural unit 110 immediately above the exposed part are joined. In addition, the inner part of the wall part 122 of the separator 120 and the structural unit 110 immediately above it are joined.

セパレータ120および平板型電気化学セル130とその直上の構成単位110とがシール材140により接合されることで、各部における反応ガスの混合が抑制される。すなわち、凹部124の内部における反応ガスの混合が抑制される。具体的には、空気極132に供給されるべき反応ガスと燃料極133に供給されるべき反応ガスとの混合が抑制される。また、流路123と凹部124との間における反応ガスの混合が抑制される。   The separator 120, the flat-plate type electrochemical cell 130, and the structural unit 110 immediately above are joined by the sealing material 140, thereby suppressing the mixing of the reaction gas in each part. That is, the mixing of the reaction gas inside the concave portion 124 is suppressed. Specifically, mixing of the reaction gas to be supplied to the air electrode 132 and the reaction gas to be supplied to the fuel electrode 133 is suppressed. Further, the mixing of the reaction gas between the flow path 123 and the recess 124 is suppressed.

特許第5701697号公報Japanese Patent No. 5701697 特開2005−174658号公報JP 2005-174658 A

しかしながら、上記構造の場合、シール材140に不具合が発生すると、当該部分を反応ガスが通過して他の反応ガスと混合する。これにより、反応ガスの損失、反応効率の低下が発生する。   However, in the case of the above structure, when a failure occurs in the sealing material 140, the reaction gas passes through the portion and mixes with another reaction gas. This causes a loss of the reaction gas and a decrease in the reaction efficiency.

本発明が解決しようとする課題は、両主面に供給される反応ガスの混合等を効果的に抑制することができる平板型電気化学セルを提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a flat-plate type electrochemical cell which can effectively suppress the mixing of the reaction gases supplied to both main surfaces.

課題を解決する手段Means to solve the problem

実施形態の平板型電気化学セルは、セル本体および被覆部を有する。セル本体は、電解質部、第1の電極、および第2の電極を有する。第1の電極は、電解質部の一方の主面上に設けられ、燃料極および空気極から選ばれる一方を構成する。第2の電極は、電解質部の他方の主面上に設けられ、燃料極および空気極から選ばれる他方を構成する。被覆部は、反応ガスの透過を抑制するように形成される。被覆部は、第1の部分および第2の部分を有する。第1の部分は、セル本体の側面を覆う。第2の部分は、セル本体の第2の電極側の表面の外縁部を覆う。被覆部の熱膨張係数がセル本体の熱膨張係数以下である。 The plate type electrochemical cell of the embodiment has a cell main body and a coating portion. The cell body has an electrolyte part, a first electrode, and a second electrode. The first electrode is provided on one main surface of the electrolyte part, and constitutes one selected from a fuel electrode and an air electrode. The second electrode is provided on the other main surface of the electrolyte part, and constitutes the other selected from a fuel electrode and an air electrode. The coating is formed so as to suppress the permeation of the reaction gas. The covering has a first portion and a second portion. The first portion covers the side of the cell body. The second portion covers the outer edge of the surface of the cell body on the second electrode side. The thermal expansion coefficient of the covering portion is equal to or less than the thermal expansion coefficient of the cell body.

平板型電気化学セルの第1の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of a flat type electrochemical cell. 第1の実施形態の平板型電気化学セルにおける被覆部(第2の部分)の一例を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view illustrating an example of a coating portion (second portion) in the flat-plate type electrochemical cell of the first embodiment. 第1の実施形態の平板型電気化学セルにおける被覆部(第2の部分)の他の例を示す平面図である。FIG. 5 is a plan view illustrating another example of the covering portion (second portion) in the flat-plate type electrochemical cell of the first embodiment. 平板型電気化学セルの第2の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of a flat type electrochemical cell. 電気化学装置の第1の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of an electrochemical device. 電気化学装置の第2の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of an electrochemical device. 従来の電気化学装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional electrochemical device.

以下、本発明の実施形態について説明する。
実施形態の平板型電気化学セルは、セル本体および被覆部を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The plate type electrochemical cell of the embodiment has a cell main body and a coating portion.

セル本体は、電解質部、第1の電極、および第2の電極を有する。第1の電極は、電解質部の一方の主面上に配置され、電解質部を周囲に露出させるとともに、燃料極および空気極から選ばれる一方を構成する。第2の電極は、電解質部の他方の主面上に設けられ、燃料極および空気極から選ばれる他方を構成する。   The cell body has an electrolyte part, a first electrode, and a second electrode. The first electrode is disposed on one main surface of the electrolyte portion, exposes the electrolyte portion to the periphery, and constitutes one selected from a fuel electrode and an air electrode. The second electrode is provided on the other main surface of the electrolyte part, and constitutes the other selected from a fuel electrode and an air electrode.

被覆部は、反応ガスの透過を抑制するように形成される。被覆部は、第1の部分および第2の部分を有する。第1の部分は、セル本体の側面を覆う。第2の部分は、セル本体の第2の電極側の表面の外縁部を覆う。   The coating is formed so as to suppress the permeation of the reaction gas. The covering has a first portion and a second portion. The first portion covers the side of the cell body. The second portion covers the outer edge of the surface of the cell body on the second electrode side.

以下、セル本体における第1の電極側の表面を上面と記し、反対側である第2の電極側の表面を下面と記して説明する。   Hereinafter, the surface of the cell body on the first electrode side is described as an upper surface, and the surface on the second electrode side, which is the opposite side, is described as a lower surface.

実施形態の平板型電気化学セルによれば、セル本体の側面および下面を覆うように被覆部が設けられることにより、セル本体の側面および下面における反応ガスの通過が抑制される。これにより、セル本体の上下面に供給される反応ガス、すなわち第1の電極に供給される反応ガスと第2の電極に供給される反応ガスの混合等が抑制される。従って、反応ガスの損失、反応効率の低下が抑制される。   According to the flat-plate type electrochemical cell of the embodiment, since the covering portion is provided so as to cover the side surface and the lower surface of the cell main body, the passage of the reaction gas on the side surface and the lower surface of the cell main body is suppressed. This suppresses the reaction gas supplied to the upper and lower surfaces of the cell body, that is, the mixing of the reaction gas supplied to the first electrode and the reaction gas supplied to the second electrode, and the like. Therefore, the loss of the reaction gas and the decrease in the reaction efficiency are suppressed.

(平板型電気化学セルの第1の実施形態)
図1は、本実施形態の平板型電気化学セルを示す断面図である。本実施形態の平板型電気化学セル10は、セル本体20、被覆部30を有する。なお、本実施形態の平板型電気化学セル10は、後述するように被覆部30がセル本体20の電解質部21と一体的に形成されたものである。
(First Embodiment of Flat Plate Electrochemical Cell)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the flat-plate type electrochemical cell of the present embodiment. The flat-plate type electrochemical cell 10 of the present embodiment has a cell main body 20 and a covering portion 30. In the flat electrochemical cell 10 of the present embodiment, the covering portion 30 is formed integrally with the electrolyte portion 21 of the cell body 20 as described later.

セル本体20は、例えば、正方形状の平面形状を有する。なお、セル本体20の平面形状は特に制限されず、円形状、長方形状等でもよい。セル本体20は、例えば、電解質部21、第1の電極22、第2の電極23、および支持体24を有する。   The cell body 20 has, for example, a square planar shape. The planar shape of the cell body 20 is not particularly limited, and may be a circular shape, a rectangular shape, or the like. The cell main body 20 includes, for example, an electrolyte part 21, a first electrode 22, a second electrode 23, and a support 24.

第1の電極22は、電解質部21の一方の主面上に配置され、電解質部21を周囲に露出させる。第1の電極22は、燃料極および空気極から選ばれる一方を構成する。   The first electrode 22 is arranged on one main surface of the electrolyte part 21 and exposes the electrolyte part 21 to the periphery. The first electrode 22 constitutes one selected from a fuel electrode and an air electrode.

第2の電極23は、電解質部21の他方の主面上に配置され、燃料極および空気極から選ばれる他方を構成する。通常、第2の電極23は、電解質部21と同様の大きさを有する。   The second electrode 23 is arranged on the other main surface of the electrolyte part 21 and forms the other selected from the fuel electrode and the air electrode. Usually, the second electrode 23 has the same size as the electrolyte part 21.

支持体24は、電解質部21、第1の電極22、および第2の電極23を支持するために設けられる。通常、支持体24は、電解質部21、第2の電極23と同様の大きさを有する。   The support 24 is provided to support the electrolyte part 21, the first electrode 22, and the second electrode 23. Usually, the support 24 has the same size as the electrolyte part 21 and the second electrode 23.

第1の電極22、第2の電極23の種類、支持体24の材料等により、セル本体20は以下のような構成を有することができる。   Depending on the types of the first electrode 22 and the second electrode 23, the material of the support 24, and the like, the cell body 20 can have the following configuration.

(構成1)
燃料極の材料と同一または類似の材料からなる支持体24上に、第2の電極23としての燃料極、電解質部21、第1の電極22としての空気極が、この順に形成されたもの。
(構成2)
燃料極の材料と異なる材料からなる支持体24上に、第2の電極23としての燃料極、電解質部21、第1の電極22としての空気極が、この順に形成されたもの。
(構成3)
空気極の材料と同一または類似の材料からなる支持体24上に、第2の電極23としての空気極、電解質部21、第1の電極22としての燃料極が、この順に形成されたもの。
(構成4)
空気極の材料と異なる材料からなる支持体24上に、第2の電極23としての空気極、電解質部21、第1の電極22としての燃料極が、この順に形成されたもの。
(Configuration 1)
A fuel electrode as a second electrode 23, an electrolyte part 21, and an air electrode as a first electrode 22 are formed in this order on a support 24 made of the same or similar material as the material of the fuel electrode.
(Configuration 2)
A fuel electrode as a second electrode 23, an electrolyte portion 21, and an air electrode as a first electrode 22 are formed in this order on a support 24 made of a material different from the material of the fuel electrode.
(Configuration 3)
An air electrode serving as a second electrode 23, an electrolyte portion 21, and a fuel electrode serving as a first electrode 22 are formed in this order on a support 24 made of the same or similar material as the material of the air electrode.
(Configuration 4)
An air electrode serving as a second electrode 23, an electrolyte portion 21, and a fuel electrode serving as a first electrode 22 are formed in this order on a support 24 made of a material different from the material of the air electrode.

被覆部30は、電解質部21に一体的に形成されるとともに、反応ガスの透過を抑制するように緻密に形成される。被覆部30は、第1の部分31および第2の部分32を有する。第1の部分31は、セル本体20の側面、具体的には、電解質部21、第2の電極23、および支持体24の側面を覆う。第2の部分32は、セル本体20の下面、例えば、支持体24の表面の外縁部を覆う。   The coating part 30 is formed integrally with the electrolyte part 21 and is formed densely so as to suppress the permeation of the reaction gas. The covering section 30 has a first portion 31 and a second portion 32. The first portion 31 covers a side surface of the cell body 20, specifically, a side surface of the electrolyte portion 21, the second electrode 23, and the support 24. The second portion 32 covers the lower surface of the cell body 20, for example, the outer edge of the surface of the support 24.

被覆部30によれば、セル本体20の側面および下面を覆うことにより、セル本体20の側面および下面における反応ガスの通過を抑制することができる。これにより、セル本体20の上下面に供給される反応ガス、すなわち第1の電極22に供給される反応ガスと第2の電極23に供給される反応ガスの混合等を効果的に抑制することができる。また、電解質部21に一体的に形成されることから、電解質部21との間における反応ガスの通過も効果的に抑制することができる。   According to the covering portion 30, by covering the side surface and the lower surface of the cell main body 20, the passage of the reaction gas on the side surface and the lower surface of the cell main body 20 can be suppressed. This effectively suppresses the reaction gas supplied to the upper and lower surfaces of the cell body 20, that is, the mixing of the reaction gas supplied to the first electrode 22 and the reaction gas supplied to the second electrode 23, and the like. Can be. Further, since the reaction gas is formed integrally with the electrolyte part 21, the passage of the reaction gas between the electrolyte part 21 and the electrolyte part 21 can be effectively suppressed.

電解質部21および被覆部30に覆われる角部25の断面は弧状であることが好ましい。角部25が弧状であると、これを覆う電解質部21および被覆部30の内側も弧状になる。これにより、応力集中による電解質部21および被覆部30の損傷が抑制される。なお、全ての角部25が弧状である必要はない。例えば、上面側の角部25のみが弧状でもよく、下面側の角部25のみが弧状でもよい。また、従来のように全ての角部25が直角状でもよい。   The cross section of the corner 25 covered by the electrolyte part 21 and the covering part 30 is preferably arc-shaped. When the corner portion 25 is arc-shaped, the inside of the electrolyte portion 21 and the covering portion 30 that cover the corner portion also have an arc shape. Thereby, damage to the electrolyte portion 21 and the coating portion 30 due to stress concentration is suppressed. It is not necessary that all corners 25 be arc-shaped. For example, only the upper corner 25 may be arcuate, or only the lower corner 25 may be arcuate. Further, all corners 25 may be right-angled as in the related art.

第1の部分31は、電解質部21よりも厚いことが好ましい。このような場合、第1の部分31の機械的強度が向上して損傷が抑制される。同様に、第2の部分32は、電解質部21よりも厚いことが好ましい。このような場合、第2の部分32の機械的強度が向上して損傷が抑制される。   The first portion 31 is preferably thicker than the electrolyte portion 21. In such a case, the mechanical strength of the first portion 31 is improved and damage is suppressed. Similarly, the second portion 32 is preferably thicker than the electrolyte portion 21. In such a case, the mechanical strength of the second portion 32 is improved, and damage is suppressed.

第2の部分32は、不要な反応ガスの通過を抑制する観点からは、セル本体20の下面を広く覆うことが好ましい。しかし、電極有効部26が覆われると反応効率が低下する。このため、第2の部分32は、電極有効部26を覆わないことが好ましい。なお、電極有効部26とは、下面における第1の電極22に相当する部分である。   It is preferable that the second portion 32 widely covers the lower surface of the cell body 20 from the viewpoint of suppressing the passage of unnecessary reaction gas. However, when the electrode effective portion 26 is covered, the reaction efficiency decreases. For this reason, it is preferable that the second portion 32 does not cover the electrode effective portion 26. The electrode effective portion 26 is a portion corresponding to the first electrode 22 on the lower surface.

第2の部分32は、内側に角部を有しない枠状、または内側に角部を有する枠状であって当該角部が弧状であることが好ましい。これらの形状によれば、応力集中による第2の部分32の損傷が抑制される。内側部分の形状としては、例えば、図2に示すような円形状、図3に示すような弧状の角部34を有する四角形状が挙げられる。なお、内側部分の形状は、四角形状以外の多角形状でもよい。   It is preferable that the second portion 32 has a frame shape having no inner corner portion, or a frame shape having an inner corner portion, and the corner portion has an arc shape. According to these shapes, damage to the second portion 32 due to stress concentration is suppressed. Examples of the shape of the inner portion include a circular shape as shown in FIG. 2 and a square shape having arcuate corners 34 as shown in FIG. The shape of the inner portion may be a polygon other than a square.

本実施形態の場合、被覆部30は電解質部21と同一の材料からなることが好ましい。被覆部30が電解質部21と同一の材料からなることにより、電解質部21の形成と同時に被覆部30を一体的に形成することができる。   In the case of the present embodiment, it is preferable that the covering portion 30 is made of the same material as the electrolyte portion 21. Since the covering portion 30 is made of the same material as the electrolyte portion 21, the covering portion 30 can be formed integrally with the formation of the electrolyte portion 21.

電解質部21は、公知の電解質材料により構成することができる。このようなものとして、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、サマリアがドープされたセリア(SDC)、ガドリニアがドープされたセリア(GDC)、イットリアがドープされたセリア(YDC)、ストロンチウムやマグネシウムがドープされたランタンガレート(LSGM)等の酸素イオン導電体、ペロブスカイト型酸化物(SrCeO等)等のプロトン伝導体、これらの固溶体等が挙げられる。これらの組成比等は特に制限されない。The electrolyte part 21 can be made of a known electrolyte material. Such materials include yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), ceria doped with Samaria (SDC), ceria doped with gadolinia (GDC), and ceria doped with yttria (YDC). ), Strontium and magnesium-doped lanthanum gallate (LSGM) and other oxygen ion conductors, perovskite-type oxides (SrCeO 3 and the like) and other proton conductors, and solid solutions thereof. The composition ratio and the like of these are not particularly limited.

燃料極は、公知の燃料極材料により構成することができる。このようなものとして、金属と固体酸化物の混合焼結体(サーメット)が挙げられる。具体的には、Ni−YSZ、Ni−ScSZ、Ni−SDC、Ni−GDC、Ni−YDC等が挙げられる。これらは、Fe、Co、Cu、Mg、Al、Pt、Ru、Au等の成分を含むことができる。   The fuel electrode can be made of a known fuel electrode material. Such a material includes a mixed sintered body (cermet) of a metal and a solid oxide. Specifically, Ni-YSZ, Ni-ScSZ, Ni-SDC, Ni-GDC, Ni-YDC and the like can be mentioned. These can include components such as Fe, Co, Cu, Mg, Al, Pt, Ru, and Au.

空気極は、公知の空気極材料により構成することができる。このようなものとして、LaSrMn酸化物、LaSrCo酸化物、LaSrCoFe酸化物、LaSrFe酸化物、LaSrMnCo酸化物、LaSrMnCr酸化物、LaCoMn酸化物、LaSrCu酸化物、LaSrFeNi酸化物、LaNiFe酸化物、LaBaCo酸化物、LaNiCo酸化物、LaSrAlFe酸化物、LaSrCoNiCu酸化物、LaSrFeNiCu酸化物、LaNi酸化物、GdSrCo酸化物、GdSrMn酸化物、PrCaMn酸化物、PrSrMn酸化物、PrBaCo酸化物、SmSrCo酸化物、NdSmCo酸化物、BiSrCaCu酸化物、BaLaFeCo酸化物、BaSrFeCo酸化物、YSrFeCo酸化物、YCuCoFe酸化物、YBaCu酸化物等が挙げられる。これらの組成比等は特に制限されない。   The air electrode can be made of a known air electrode material. As such, LaSrMn oxide, LaSrCo oxide, LaSrCoFe oxide, LaSrFe oxide, LaSrMnCo oxide, LaSrMnCr oxide, LaCoMn oxide, LaSrCu oxide, LaSrFeNi oxide, LaNiFe oxide, LaBaCo oxide, LaBaCo oxide, LaNiCo oxide, LaSrAlFe oxide, LaSrCoNiCu oxide, LaSrFeNiCu oxide, LaNi oxide, GdSrCo oxide, GdSrMn oxide, PrCaMn oxide, PrSrMn oxide, PrBaCo oxide, SmSrCo oxide, NdSmCo oxide, BiSrCaCu oxide Materials, BaLaFeCo oxide, BaSrFeCo oxide, YSrFeCo oxide, YCuCoFe oxide, YBaCu oxide, and the like. The composition ratio and the like of these are not particularly limited.

空気極は、電解質との混合体でもよい。このようなものとして、上記電解質材料と上記空気極材料との混合体が挙げられる。これらは、Pt、Ru、Au、Ag、Pd等の成分を含むことができる。   The cathode may be a mixture with the electrolyte. Such a material includes a mixture of the electrolyte material and the air electrode material. These can include components such as Pt, Ru, Au, Ag, Pd.

支持体24は、公知の支持材料により構成することができる。通常、金属、セラミックス、これらの混合体等により構成することができる。支持体24が燃料極を支持する場合、燃料極の材料と同一または類似の材料から構成してもよいし、燃料極の材料とは異なる材料から構成してもよい。また、支持体24が空気極を支持する場合、空気極の材料と同一または類似の材料から構成してもよいし、空気極の材料とは異なる材料から構成してもよい。   The support 24 can be made of a known support material. Usually, it can be composed of metal, ceramics, a mixture thereof or the like. When the support 24 supports the fuel electrode, it may be made of the same or similar material as the material of the fuel electrode, or may be made of a material different from the material of the fuel electrode. When the support 24 supports the air electrode, it may be made of the same or similar material as the material of the air electrode, or may be made of a material different from the material of the air electrode.

本実施形態の平板型電気化学セル10は、例えば、電解質部21の形成と同時に被覆部30を形成することにより製造することができる。具体的には、支持体24上に第2の電極23を形成した後、電解質部21および被覆部30を同時に形成し、さらに第1の電極22を形成する。被覆部30は、公知の方法により形成することができる。このような方法として、スラリーを塗布する方法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法、溶射法等が挙げられる。   The flat-plate type electrochemical cell 10 of the present embodiment can be manufactured, for example, by forming the covering portion 30 at the same time as the formation of the electrolyte portion 21. Specifically, after forming the second electrode 23 on the support 24, the electrolyte part 21 and the coating part 30 are simultaneously formed, and the first electrode 22 is further formed. The covering portion 30 can be formed by a known method. Examples of such a method include a method of applying a slurry, a sputtering method, an evaporation method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method.

本実施形態の平板型電気化学セル10によれば、特に、被覆部30が電解質部21と一体的に形成されることにより、電解質部21と被覆部30との間における反応ガスの通過を効果的に抑制することができる。   According to the flat-plate type electrochemical cell 10 of the present embodiment, in particular, since the coating portion 30 is formed integrally with the electrolyte portion 21, the passage of the reaction gas between the electrolyte portion 21 and the coating portion 30 is effective. Can be suppressed.

(平板型電気化学セルの第2の実施形態)
図4は、本実施形態の平板型電気化学セルを示す断面図である。平板型電気化学セル10は、セル本体20、被覆部30を有する。なお、本実施形態の平板型電気化学セル10は、後述するように被覆部30がセル本体20の電解質部21とは別体に形成されたものである。
(Second embodiment of flat plate type electrochemical cell)
FIG. 4 is a sectional view showing the flat-plate type electrochemical cell of the present embodiment. The flat-type electrochemical cell 10 has a cell body 20 and a coating portion 30. The flat electrochemical cell 10 of the present embodiment has a coating portion 30 formed separately from the electrolyte portion 21 of the cell body 20 as described later.

セル本体20は、基本的に従来の平板型電気化学セルと同様である。すなわち、セル本体20は、電解質部21、第1の電極22、第2の電極23、および支持体24を有する。   The cell body 20 is basically the same as a conventional flat-plate type electrochemical cell. That is, the cell main body 20 has the electrolyte part 21, the first electrode 22, the second electrode 23, and the support 24.

第1の電極22は、電解質部21の一方の主面上に配置され、電解質部21を周囲に露出させる。第1の電極22は、燃料極および空気極から選ばれる一方を構成する。   The first electrode 22 is arranged on one main surface of the electrolyte part 21 and exposes the electrolyte part 21 to the periphery. The first electrode 22 constitutes one selected from a fuel electrode and an air electrode.

第2の電極23は、電解質部21の他方の主面上に設けられ、燃料極および空気極から選ばれる他方を構成する。通常、第2の電極23は、電解質部21と同様の大きさを有する。   The second electrode 23 is provided on the other main surface of the electrolyte part 21 and forms the other selected from a fuel electrode and an air electrode. Usually, the second electrode 23 has the same size as the electrolyte part 21.

支持体24は、電解質部21、第1の電極22、および第2の電極23を支持するために設けられる。通常、支持体24は、電解質部21、第2の電極23と同様の大きさを有する。   The support 24 is provided to support the electrolyte part 21, the first electrode 22, and the second electrode 23. Usually, the support 24 has the same size as the electrolyte part 21 and the second electrode 23.

セル本体20は、具体的には、第1の実施形態で例示された(構成1)〜(構成4)を有することができる。また、セル本体20は、第1の実施形態で例示されたような材料から構成することができる。   The cell main body 20 can specifically have the (Configuration 1) to (Configuration 4) exemplified in the first embodiment. Further, the cell body 20 can be made of a material as exemplified in the first embodiment.

被覆部30は、電解質部21とは別体に形成される。被覆部30は、例えば、第1の部分31、第2の部分32、および第3の部分33を有する。第1の部分31は、セル本体20の側面、具体的には、電解質部21、第2の電極23、および支持体24の側面を覆う。第2の部分32は、セル本体20の下面、例えば、支持体24の表面の外縁部を覆う。第3の部分33は、セル本体20の上面、具体的には電解質部21の表面の外縁部を覆う。   The covering part 30 is formed separately from the electrolyte part 21. The covering portion 30 has, for example, a first portion 31, a second portion 32, and a third portion 33. The first portion 31 covers a side surface of the cell body 20, specifically, a side surface of the electrolyte portion 21, the second electrode 23, and the support 24. The second portion 32 covers the lower surface of the cell body 20, for example, the outer edge of the surface of the support 24. The third portion 33 covers the upper surface of the cell body 20, specifically, the outer edge of the surface of the electrolyte portion 21.

なお、第3の部分33は、必ずしも設けられる必要はない。この場合、電解質部21は、少なくとも下面側の側面が覆われていればよい。少なくとも下面側の側面が覆われることで、電解質部21と被覆部30とが連続したものとなる。すなわち、緻密な材料が連続することから、反応ガスの通過が抑制される。電解質部21は、下面側から上面側までの側面全体が覆われることが好ましい。   Note that the third portion 33 does not necessarily need to be provided. In this case, the electrolyte portion 21 only needs to be covered at least on the side surface on the lower surface side. By covering at least the side surface on the lower surface side, the electrolyte portion 21 and the coating portion 30 become continuous. That is, since the dense material is continuous, the passage of the reaction gas is suppressed. It is preferable that the electrolyte part 21 is entirely covered from the lower surface side to the upper surface side.

被覆部30によれば、セル本体20の側面および下面を覆うことにより、セル本体20の側面および下面における反応ガスの通過を抑制することができる。さらに、電解質部21とは別体に形成されることから、セル本体20として従来の平板型電気化学セルを使用することができる。また、被覆部30の材料に制限が少なくなり、種々の材料を使用することができる。   According to the covering portion 30, by covering the side surface and the lower surface of the cell main body 20, the passage of the reaction gas on the side surface and the lower surface of the cell main body 20 can be suppressed. Furthermore, since it is formed separately from the electrolyte part 21, a conventional flat-type electrochemical cell can be used as the cell body 20. In addition, the material of the covering portion 30 is less restricted, and various materials can be used.

なお、被覆部30が電解質部21と別体に形成された場合、一体的に形成されたときに比べて、これらの間を反応ガスが通過しやすくなる。しかし、第3の部分33が設けられることにより、このような反応ガスの通過も抑制することができる。   When the covering portion 30 is formed separately from the electrolyte portion 21, the reaction gas passes between them more easily than when they are integrally formed. However, the provision of the third portion 33 can also suppress the passage of such a reaction gas.

被覆部30に覆われる角部25の断面は弧状であることが好ましい。角部25が弧状であると、これを覆う被覆部30の内側も弧状になる。これにより、応力集中による被覆部30の損傷が抑制される。なお、全ての角部25が弧状である必要はない。例えば、上面側の角部25のみが弧状でもよく、下面側の角部25のみが弧状でもよい。また、従来のように全ての角部25が直角状でもよい。   It is preferable that the cross section of the corner 25 covered by the cover 30 be arc-shaped. When the corner portion 25 is arc-shaped, the inside of the covering portion 30 that covers the corner portion 25 is also arc-shaped. Thereby, damage of the covering portion 30 due to stress concentration is suppressed. It is not necessary that all corners 25 be arc-shaped. For example, only the upper corner 25 may be arcuate, or only the lower corner 25 may be arcuate. Also, all corners 25 may be right-angled as in the prior art.

第1の部分31、第2の部分32の厚さは、第1の実施形態と同様にすることができる。また、第2の部分32の平面形状等は、第1の実施形態と同様にすることができる。   The thickness of the first portion 31 and the second portion 32 can be the same as in the first embodiment. The planar shape and the like of the second portion 32 can be the same as those in the first embodiment.

被覆部30の材料は、電解質部21の材料と同一でも異なってもよい。電解質部21の材料と異なる場合、電解質でもよいし、電解質以外でもよい。電解質としては、例えば、第1の実施形態に例示されたものが挙げられる。被覆部30は、運転温度において緻密な構造を得やすいことから、安定化ジルコニア、ガラス、釉薬等を含むことが好ましい。   The material of the covering portion 30 may be the same as or different from the material of the electrolyte portion 21. When the material is different from the material of the electrolyte portion 21, the material may be an electrolyte or a material other than the electrolyte. Examples of the electrolyte include those exemplified in the first embodiment. The covering portion 30 preferably contains stabilized zirconia, glass, glaze, or the like because a dense structure is easily obtained at the operating temperature.

ここで、被覆部30の熱膨張係数がセル本体20の熱膨張係数よりも小さい場合、高温での運転中にセル本体20に圧縮応力が付加され、当該セル本体20の強度が向上する。また、被覆部30の熱膨張係数がセル本体20の熱膨張係数と同等である場合、昇温中および高温での運転中にセル本体20に圧縮応力が付加されず、当該セル本体20の信頼性が向上する。   Here, when the thermal expansion coefficient of the covering portion 30 is smaller than the thermal expansion coefficient of the cell body 20, compressive stress is applied to the cell body 20 during operation at a high temperature, and the strength of the cell body 20 is improved. In addition, when the thermal expansion coefficient of the covering portion 30 is equal to the thermal expansion coefficient of the cell body 20, no compressive stress is applied to the cell body 20 during the heating and operation at a high temperature, and the reliability of the cell body 20 is reduced. The performance is improved.

上記理由から、セル本体20に求められる特性に応じて、被覆部30の熱膨張係数を適宜調整することが好ましい。熱膨張係数は、材料の選択により調整することができる。なお、セル本体20の熱膨張係数は、例えば、セル本体20における体積での割合が最も高い部材の熱膨張係数とすることができる。   For the above reasons, it is preferable to appropriately adjust the coefficient of thermal expansion of the covering portion 30 according to the characteristics required for the cell body 20. The coefficient of thermal expansion can be adjusted by selecting the material. The coefficient of thermal expansion of the cell body 20 can be, for example, the coefficient of thermal expansion of the member having the highest volume ratio in the cell body 20.

本実施形態の平板型電気化学セル10は、例えば、セル本体20を製造した後、被覆部30を形成することにより製造することができる。セル本体20は、従来の平板型電気化学セルと同様にして製造することができる。被覆部30は、公知の方法により形成することができる。このような方法として、スラリーを塗布する方法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法、溶射法等が挙げられる。   The flat-plate type electrochemical cell 10 of the present embodiment can be manufactured by, for example, manufacturing the cell body 20 and then forming the covering portion 30. The cell body 20 can be manufactured in the same manner as a conventional flat-plate electrochemical cell. The covering portion 30 can be formed by a known method. Examples of such a method include a method of applying a slurry, a sputtering method, an evaporation method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method.

本実施形態の平板型電気化学セル10によれば、被覆部30が電解質部21と別体に形成されることから、セル本体20に従来の平板型電気化学セルを使用することができる。また、被覆部30の材料に制限が少ないことから、種々の材料を使用することができる。   According to the flat-plate type electrochemical cell 10 of the present embodiment, since the coating portion 30 is formed separately from the electrolyte portion 21, a conventional flat-type electrochemical cell can be used for the cell body 20. In addition, since there are few restrictions on the material of the covering portion 30, various materials can be used.

(電気化学装置の第1の実施形態)
図5は、本実施形態の電気化学装置を示した断面図である。本実施形態の電気化学装置40は、複数の構成単位50が積層されて構成されている。構成単位50は、平板型電気化学セル10、セパレータ60、シール材70、およびシール材80を有する。
(First Embodiment of Electrochemical Device)
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the electrochemical device of the present embodiment. The electrochemical device 40 of the present embodiment is configured by stacking a plurality of constituent units 50. The structural unit 50 includes the flat electrochemical cell 10, the separator 60, the seal member 70, and the seal member 80.

平板型電気化学セル10は、図1に示される第1の実施形態の平板型電気化学セルである。なお、図示しないが、平板型電気化学セル10の上面側および下面側にはそれぞれ集電材が配置されている。これらの集電材を介して、平板型電気化学セル10とセパレータ60とが電気的に接続される。   The flat electrochemical cell 10 is the flat electrochemical cell of the first embodiment shown in FIG. Although not shown, current collectors are arranged on the upper and lower sides of the flat-plate type electrochemical cell 10, respectively. The flat electrochemical cell 10 and the separator 60 are electrically connected via these current collectors.

セパレータ60は、例えば、底部61、壁部62、および流路63を有する。底部61および壁部62は、平板型電気化学セル10を収容する凹部64を形成する。流路63は、壁部62の内部を厚さ方向に貫通する。流路63は、平板型電気化学セル10への反応ガスの供給等に利用される。   The separator 60 has, for example, a bottom 61, a wall 62, and a channel 63. The bottom portion 61 and the wall portion 62 form a concave portion 64 for accommodating the flat electrochemical cell 10. The flow channel 63 penetrates the inside of the wall portion 62 in the thickness direction. The channel 63 is used for supplying a reaction gas to the flat-plate type electrochemical cell 10 and the like.

シール材70は、平板型電気化学セル10およびセパレータ60とその直上の構成単位50との間に配置されてこれらを接合する。具体的には、電解質部131および被覆部30とその直上の構成単位50とを接合する。また、壁部62の内側部分とその直上の構成単位50とを接合する。   The sealing material 70 is arranged between the flat-plate type electrochemical cell 10 and the separator 60 and the constituent unit 50 immediately above the flat-type electrochemical cell 10 and the separator 60, and joins them. Specifically, the electrolyte unit 131 and the covering unit 30 are joined to the constituent unit 50 immediately above the covering unit 30. Further, the inner portion of the wall portion 62 and the structural unit 50 immediately above the inner portion are joined.

シール材80は、平板型電気化学セル10とその直下のセパレータ60との間に配置されてこれらを接合する。具体的には、被覆部30とその直下のセパレータ60とを接合する。   The sealing material 80 is arranged between the flat-plate type electrochemical cell 10 and the separator 60 immediately below the flat-type electrochemical cell 10, and joins them. Specifically, the covering portion 30 and the separator 60 immediately below the covering portion 30 are joined.

固体酸化物型燃料電池(SOFC)として使用する場合、流路63を介して各構成単位50に反応ガスが供給される。例えば、反応ガスとして水素ガスが燃料極に供給され、他の反応ガスとして空気ガスが空気極に供給される。これにより、各構成単位50において発電反応が行われる。   When used as a solid oxide fuel cell (SOFC), a reaction gas is supplied to each structural unit 50 via a flow channel 63. For example, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode as a reaction gas, and air gas is supplied to the air electrode as another reaction gas. Thereby, a power generation reaction is performed in each structural unit 50.

固体酸化物型電解セル(SOEC)として使用する場合、例えば、燃料極に反応ガスとして水蒸気ガスが供給される。これにより、各構成単位50において電解反応が行われる。   When used as a solid oxide electrolytic cell (SOEC), for example, steam gas is supplied as a reaction gas to a fuel electrode. Thereby, an electrolytic reaction is performed in each structural unit 50.

本実施形態の電気化学装置40は、平板型電気化学セル10の上面側がシール材70により接合されるとともに、下面側がシール材80で接合される。これにより、セル本体20の上下面に供給される反応ガス、すなわち第1の電極22に供給される反応ガスと第2の電極23に供給される反応ガスの混合等が効果的に抑制される。   In the electrochemical device 40 of the present embodiment, the upper surface side of the flat-plate type electrochemical cell 10 is joined by the sealing material 70 and the lower surface side is joined by the sealing material 80. This effectively suppresses the reaction gas supplied to the upper and lower surfaces of the cell body 20, that is, the mixing of the reaction gas supplied to the first electrode 22 and the reaction gas supplied to the second electrode 23, and the like. .

例えば、シール材70に不具合が発生した場合、第1の電極22に供給される反応ガスがシール材70を通過することがある。このようなときでも、セル本体20の側面が被覆部30により覆われていることで、上記反応ガスが側面を通して第2の電極23側に侵入することが抑制される。   For example, when a failure occurs in the sealing material 70, the reaction gas supplied to the first electrode 22 may pass through the sealing material 70. Even in such a case, since the side surface of the cell main body 20 is covered with the covering portion 30, the reaction gas is suppressed from entering the second electrode 23 through the side surface.

また、セル本体20の下面が被覆部30により覆われるとともに、シール材80で接合されていることから、上記反応ガスが下面を通して侵入することも抑制される。結果として、セル本体20の上下面に供給される反応ガス、すなわち第1の電極22に供給される反応ガスと第2の電極23に供給される反応ガスの混合が抑制される。   In addition, since the lower surface of the cell body 20 is covered by the covering portion 30 and is joined by the sealing material 80, the invasion of the reaction gas through the lower surface is also suppressed. As a result, the reaction gas supplied to the upper and lower surfaces of the cell body 20, that is, the mixing of the reaction gas supplied to the first electrode 22 and the reaction gas supplied to the second electrode 23 is suppressed.

(電気化学装置の第2の実施形態)
図6は、本実施形態の電気化学装置を示した断面図である。本実施形態の電気化学装置40は、複数の構成単位50が積層されて構成されている。構成単位50は、平板型電気化学セル10、セパレータ60、シール材70、およびシール材80を有する。
(Second embodiment of electrochemical device)
FIG. 6 is a sectional view showing the electrochemical device of the present embodiment. The electrochemical device 40 of the present embodiment is configured by stacking a plurality of constituent units 50. The structural unit 50 includes the flat electrochemical cell 10, the separator 60, the seal member 70, and the seal member 80.

本実施形態の電気化学装置40は、セパレータ60の構成が異なる。セパレータ60は、その壁部62の内面と平板型電気化学セル10の側面とにより流路63を形成する。すなわち、壁部62は、内部に流路63を有しない。   The electrochemical device 40 of the present embodiment is different in the configuration of the separator 60. The separator 60 forms a channel 63 by the inner surface of the wall portion 62 and the side surface of the flat-plate type electrochemical cell 10. That is, the wall portion 62 does not have the channel 63 inside.

本実施形態の電気化学装置40は、平板型電気化学セル10を流路63の形成に利用する。平板型電気化学セル10の側面は被覆部30により覆われていることから、反応ガスの通過が抑制され、流路63の形成に利用することができる。   The electrochemical device 40 of the present embodiment uses the flat-plate type electrochemical cell 10 for forming the channel 63. Since the side surface of the flat-plate type electrochemical cell 10 is covered with the coating portion 30, the passage of the reaction gas is suppressed, and the flat-type electrochemical cell 10 can be used for forming the channel 63.

本実施形態の電気化学装置40によれば、流路63の形成に平板型電気化学セル10の側面を利用することにより、セパレータ60の壁部62を薄くすることができる。結果として、装置全体を小型化することができる。   According to the electrochemical device 40 of the present embodiment, the wall portion 62 of the separator 60 can be thinned by using the side surface of the flat-plate type electrochemical cell 10 for forming the flow channel 63. As a result, the entire device can be reduced in size.

上記した少なくともひとつの実施形態によれば、両主面に供給される反応ガスの混合等を効果的に抑制することができる。   According to at least one embodiment described above, it is possible to effectively suppress the mixing of the reaction gases supplied to both main surfaces.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   While some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the inventions. These new embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.

10…平板型電気化学セル、20…セル本体、21…電解質部、22…第1の電極、23…第2の電極、24…支持体、25…角部、26…電極有効部、30…被覆部、31…第1の部分、32…第2の部分、33…第3の部分、34…角部、40…電気化学装置、50…構成単位、60…セパレータ、61…底部、62…壁部、63…流路、64…凹部、70…シール材、80…シール材。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Flat type electrochemical cell, 20 ... Cell main body, 21 ... Electrolyte part, 22 ... 1st electrode, 23 ... 2nd electrode, 24 ... Support body, 25 ... Corner part, 26 ... Effective electrode part, 30 ... Covering part, 31 first part, 32 second part, 33 third part, 34 corner part, 40 electrochemical device, 50 constituent unit, 60 separator, 61 bottom part, 62 part Wall part, 63 ... flow path, 64 ... concave part, 70 ... sealing material, 80 ... sealing material.

Claims (4)

電解質部、前記電解質部の一方の主面上に設けられ、燃料極および空気極から選ばれる一方を構成する第1の電極、および前記電解質部の他方の主面上に設けられ、前記燃料極および前記空気極から選ばれる他方を構成する第2の電極、を有するセル本体と、
前記セル本体の側面を覆う第1の部分、および前記セル本体の前記第2の電極側の表面の外縁部を覆う第2の部分を有し、反応ガスの透過を抑制するように形成された被覆部と、
を有し、
前記被覆部の熱膨張係数が前記セル本体の熱膨張係数以下である
平板型電気化学セル。
An electrolyte portion, a first electrode provided on one main surface of the electrolyte portion and constituting one selected from a fuel electrode and an air electrode, and the fuel electrode provided on the other main surface of the electrolyte portion. And a second electrode constituting the other electrode selected from the air electrode,
A first portion that covers a side surface of the cell body; and a second portion that covers an outer edge of a surface of the cell body on the second electrode side, and is formed so as to suppress permeation of a reaction gas. A coating part;
Have a,
A flat electrochemical cell wherein the coefficient of thermal expansion of the covering portion is equal to or less than the coefficient of thermal expansion of the cell body .
前記第1の部分または前記第2の部分の少なくとも一方は、前記電解質部よりも厚い請求項1記載の平板型電気化学セル。   The flat electrochemical cell according to claim 1, wherein at least one of the first part and the second part is thicker than the electrolyte part. 前記被覆部は、前記電解質部と一体的に形成されている請求項1または2記載の平板型電気化学セル。   The flat electrochemical cell according to claim 1, wherein the covering portion is formed integrally with the electrolyte portion. 前記被覆部は、電解質を含む請求項1乃至のいずれか1項記載の平板型電気化学セル。 The cover portion is flat electrochemical cell of any one of claims 1 to 3 containing an electrolyte.
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