JP6797779B2 - 電気化学セル及び電気化学装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気化学セル及び電気化学装置に関する。

電気化学セルは、例えば、電気化学反応により、電気エネルギーを取り出し、又は電気分解を行うために用いられる。電気化学反応は、電気化学セルの電極において生じる。例えば、造孔材や溶射法を用いて電極を形成することで、電極の粒子間に、燃料ガスのようなガスが通過可能な空隙が形成される。

特開平５−２１４５７４号公報

電気化学反応の効率が向上すれば、電気化学セルにおける電力の取り出しや電気分解の効率が向上する。

一つの実施形態に係る電気化学セルは、絶縁性の固体電解質層と、第１の電極と、第２の電極とを備える。前記固体電解質層は、第１の面と、第２の面と、を有し、イオンが移動可能である。前記第１の電極は、前記第１の面上に設けられ、ガスが通過可能な流路が内部に設けられ、前記流路の一方の開口端が開く第３の面と、前記流路の他方の開口端が開く第４の面と、前記流路を形成する内壁面と、を有する、陽極及び陰極のうち一方である。前記第２の電極は、前記第２の面上に設けられた、前記陽極及び前記陰極のうち他方である。前記流路は、同一又は相似の形状を有するとともに、互いに直交する三方向に互いに連通される、複数の単位通路を有する。

図１は、一つの実施形態に係る電力システムを概略的に示すブロック図である。 図２は、一つの実施形態のＳＯＥＣの一部を示す断面図である。 図３は、一つの実施形態の単位セルを分解して示す斜視図である。 図４は、一つの実施形態の第１の側面の周辺における単位セルの一部を模式的に示す断面図である。 図５は、一つの実施形態の第２の側面の周辺における単位セルの一部を模式的に示す断面図である。 図６は、一つの実施形態の単位セルの他の一部を模式的に示す断面図である。 図７は、一つの実施形態の水素極の一部を示す斜視図である。 図８は、一つの実施形態の水素極の内部を微視的且つ模式的に示す図である。

以下に、一つの実施形態について、図１乃至図８を参照して説明する。なお、本明細書においては基本的に、鉛直上方を上方向、鉛直下方を下方向と定義する。また、本明細書において、実施形態に係る構成要素及び当該要素の説明について、複数の表現が記載されることがある。複数の表現がされた構成要素及び説明は、記載されていない他の表現がされても良い。さらに、複数の表現がされない構成要素及び説明も、記載されていない他の表現がされても良い。

図１は、一つの実施形態に係る電力システム１０を概略的に示すブロック図である。電力システム１０は、電気化学装置の一例である。本実施形態における電力システム１０は、水素電力貯蔵システムである。なお、電気化学装置はこの例に限られない。

図１に示すように、電力システム１０は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）１１と、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１２と、水素貯蔵部１３と、蓄熱部１４と、配管１５，１６，１７，１８，１９，２０とを有する。ＳＯＥＣ１１及びＳＯＦＣ１２は、例えば、電気化学装置と称されても良い。配管１９は、供給部の一例である。

ＳＯＥＣ１１は、配管１５により水素貯蔵部１３に接続されるとともに、配管１６により蓄熱部１４に接続される。ＳＯＦＣ１２は、配管１７により水素貯蔵部１３に接続されるとともに、配管１８により蓄熱部１４に接続される。

ＳＯＥＣ１１は、水蒸気Ｗ及び電力を供給されることで、水蒸気Ｗを水素Ｈ及び酸素に電気分解する。水蒸気Ｗは、ガスの一例である。例えば、８００℃まで昇温された水蒸気Ｗが、配管１９から、ＳＯＥＣ１１に供給される。水蒸気Ｗは、殆どが気相の状態であるが、液相の水を含んでも良い。なお、ＳＯＥＣ１１に供給される水蒸気Ｗは、この例に限られない。

電力システム１０は、太陽光発電機、風力発電機、及び水力発電機のような電源を有しても良い。当該電源から、ＳＯＥＣ１１に電力が供給される。外部電源からＳＯＥＣ１１に電力が供給されても良い。例えば、余剰電力がＳＯＥＣ１１に供給される。

電気分解により生成された水素Ｈは、ＳＯＥＣ１１から、配管１５を通って水素貯蔵部１３に供給される。水素貯蔵部１３は、当該水素Ｈを貯蔵する。電力システム１０は、電気分解により生成された酸素を貯蔵する酸素貯蔵部を有しても良い。電気分解により生成された酸素は、空気中に放出されても良い。

水素貯蔵部１３の水素Ｈが、配管１７を通ってＳＯＦＣ１２に供給される。さらに、上記酸素貯蔵部の酸素、又は空気に含まれる酸素が、ＳＯＦＣ１２に供給される。ＳＯＦＣ１２は、水素Ｈ及び酸素を用いて発電する。ＳＯＦＣ１２における発電で発生した水Ｗは、配管２０から排出される。

蓄熱部１４は、配管１６を通して、吸熱反応である電解を行うＳＯＥＣ１１に熱を供給する。発熱反応である発電を行うＳＯＦＣ１２は、配管１８を通して、蓄熱部１４に熱を供給する。

図２は、一つの実施形態のＳＯＥＣ１１の一部を示す断面図である。図２に示すように、ＳＯＥＣ１１は、セルスタック２１を有する。セルスタック２１は、複数の単位セル２２を有する。

図面に示されるように、本明細書において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が定義される。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは、互いに直交する。Ｘ軸は、単位セル２２の幅に沿う。Ｙ軸は、単位セル２２の長さ（奥行き）に沿う。Ｚ軸は、単位セル２２の厚さに沿う。

複数の単位セル２２は、Ｚ軸に沿う方向に積層される。セルスタック２１は、熱交換器をさらに含んでも良い。当該熱交換機は、積層された複数の単位セル２２との間で熱交換を行い、単位セル２２の温度分布を制御する。

図３は、一つの実施形態の単位セル２２を分解して示す斜視図である。図３に示すように、単位セル２２は、電気化学セル３１と、ホルダ３２と、二つのセパレータ３３と、二つの集電材３４と、第１のシール３５と、第２のシール３６とを有する。なお、集電材３４は、省略されても良い。セパレータ３３は、隣り合う二つの単位セル２２により共有される。

電気化学セル３１は、例えば、Ｘ−Ｙ平面上に広がる略矩形の板状に形成される。なお、電気化学セル３１は、円盤状のような他の形状に形成されても良い。電気化学セル３１は、固体電解質層４１と、水素極４２と、酸素極４３と、支持体４４とを有する。水素極４２は、第１の電極の一例である。酸素極４３は、第２の電極の一例である。水素極４２が第２の電極の一例、酸素極４３が第１の電極の一例であっても良い。なお、支持体４４は、省略されても良い。

固体電解質層４１、水素極４２、酸素極４３、及び支持体４４はそれぞれ、Ｘ−Ｙ平面上に広がる略矩形の板状に形成される。固体電解質層４１、水素極４２、酸素極４３、及び支持体４４はそれぞれ、円盤状のような他の形状に形成されても良い。固体電解質層４１、水素極４２、酸素極４３、及び支持体４４は、Ｚ軸に沿う方向に積層される。

図２に示すように、固体電解質層４１は、第１の主面４１ａと、第２の主面４１ｂとを有する。第１の主面４１ａは、第１の面の一例である。第２の主面４１ｂは、第２の面の一例である。

第１の主面４１ａは、Ｚ軸に沿う正方向（Ｚ軸の矢印が向く方向）に向く、略平坦な面である。第２の主面４１ｂは、Ｚ軸に沿う負方向（Ｚ軸の矢印の反対方向）に向く、略平坦な面である。第２の主面４１ｂは、第１の主面４１ａの反対側に位置する。

水素極４２は、第１の主面４１ａ上に設けられる、電気化学セル３１の陰極である。水素極４２は、第１の主面４１ａに接合される。酸素極４３は、第２の主面４１ｂ上に設けられる、電気化学セル３１の陽極である。酸素極４３は、第２の主面４１ｂに接合される。酸素極４３は、固体電解質層４１、水素極４２、及び支持体４４より小さくても良い。

固体電解質層４１は、水素極４２と酸素極４３との間に位置する。支持体４４は、水素極４２に重ねられる。このため、水素極４２は、固体電解質層４１と支持体４４との間に位置する。

固体電解質層４１は、電子絶縁性及びイオン伝導性を有する固体酸化物によって作られる。すなわち、固体電解質層４１は絶縁性を有し、固体電解質層４１でイオンが移動可能である。本実施形態において、固体電解質層４１は、ジルコニア系酸化物によって作られる。固体電解質層４１の材料は、他の固体電解質であっても良い。

固体電解質は、例えば、サマリウム、ガドリニウム等がドープされたセリア系酸化物、ストロンチウム、マグネシウムがドープされたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウム、イットリウムがドープされたジルコニア系酸化物のような、イオン伝導性を有するセラミックスである。

固体電解質層４１は、ガスリークが実質的に無視できる程度の稠密性を有する。言い換えると、固体電解質層４１は、ガスの移動を制限する。

水素極４２は、例えば、金属触媒とイオン伝導性を有するセラミックス材料との混合物によって作られる。本実施形態において、水素極４２は、ニッケルとジルコニア系酸化物との混合物によって作られる。水素極４２の材料は、金属触媒や、他の水素極材料であっても良い。

水素極４２の材料として用いられる金属触媒は、例えば、還元性雰囲気中で安定であり且つ水素酸化活性を有する、ニッケル、鉄、コバルト、又は貴金属である。貴金属は、例えば、白金、ルテニウム、パラジウムである。

水素極４２の材料として用いられるイオン伝導性を有するセラミックス材料は、例えば、蛍石型の構造を有するサマリウム、ガドリニウム等がドープされたセリア系酸化物、スカンジウム、イットリウムがドープされたジルコニア系酸化物、又はペロブスカイト型の構造を有するストロンチウム、マグネシウムがドープされたランタン・ガレード系酸化物である。

本実施形態において、酸素極４３は、ランタン・ストロンチウム酸化物によって作られる。酸素極４３の材料は、他の酸素極材料であっても良い。酸素極材料は、例えば、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３である。

支持体４４は、例えば、水素極４２の材料と同一又は類似する材料によって作られる。支持体４４は、他の材料によって作られても良い。支持体４４は、電気化学セル３１の機械的強度を向上させる。支持体４４は、内部を水蒸気Ｗ及び水素Ｈのようなガスが通過可能に形成される。なお、支持体４４は、ガスの通過を制限する稠密性を有しても良い。

ホルダ３２は、例えば、金属、ガラス、又はセラミックスによって作られ、反応ガスや他の部材に対する耐性を有する。ホルダ３２は、略矩形の枠状に形成され、上面３２ａと、下面３２ｂとを有する。上面３２ａは、Ｚ軸に沿う正方向に向く略平坦な面である。下面３２ｂは、Ｚ軸に沿う負方向に向く略平坦な面である。

図３に示すように、ホルダ３２に、収容口５１と、二つの第１の供給路５２と、二つの第２の供給路５３とが設けられる。収容口５１、第１の供給路５２、及び第２の供給路５３は、ホルダ３２をＺ軸に沿う方向に貫通し、上面３２ａ及び下面３２ｂに開く。

収容口５１は、ホルダ３２の略中央に設けられる。電気化学セル３１は、収容口５１の内部に保持される。なお、図２に示すように、電気化学セル３１の一部が収容口５１の外部に位置しても良い。

収容口５１に収容された電気化学セル３１と、ホルダ３２との間に、例えば、ガラスや無機粉末を含む充填材が設けられても良い。当該ガラスは、例えば、８００℃以下で固体の高融点結晶化ガラスである。無機粉末は、例えば、セラミックスやガラスである。

図３に示すように、第１の供給路５２は、Ｙ軸に沿う方向に延びる。二つの第１の供給路５２の間に、収容口５１が位置する。二つの第１の供給路５２はそれぞれ、接続部５２ａを有する。接続部５２ａは、ホルダ３２の上面３２ａに開くとともに、収容口５１に連通される。すなわち、上面３２ａの近傍において、収容口５１と第１の供給路５２とが連通される。

第２の供給路５３は、Ｘ軸に沿う方向に延びる。二つの第２の供給路５３の間に、収容口５１が位置する。二つの第２の供給路５３はそれぞれ、接続部５３ａを有する。接続部５３ａは、ホルダ３２の下面３２ｂに開くとともに、収容口５１に連通される。すなわち、下面３２ｂの近傍において、収容口５１と第２の供給路５３とが連通される。

セパレータ３３は、例えば、Ｘ−Ｙ平面上に広がる略矩形の板状に形成される。なお、セパレータ３３は、他の形状に形成されても良い。セパレータ３３は、導電性を有し、反応ガスや他の部材に対する耐性を有する材料によって作られる。

セパレータ３３に、二つの第１の供給路５５と、二つの第２の供給路５６とが設けられる。第１の供給路５５と第２の供給路５６とは、セパレータ３３をＺ軸に沿う方向に貫通する。

集電材３４は、例えば、Ｘ−Ｙ平面上に広がる略矩形の板状に形成される。なお、集電材３４は、他の形状に形成されても良い。集電材３４は、例えば、ニッケル、金、銀、白金を含む材料によって作られ、導電性を有する。

電気化学セル３１の水素極４２は、支持体４４と一方の集電材３４とを介して一方のセパレータ３３に電気的に接続される。電気化学セル３１の酸素極４３は、他方の集電材３４を介して他方のセパレータ３３に電気的に接続される。なお、他方の集電材３４は、耐酸化性を有する。

二つのセパレータ３３の間に、電気化学セル３１と、二つの集電材３４が位置する。当該二つの集電材３４の間に、電気化学セル３１が位置する。電気化学セル３１、集電材３４、及びセパレータ３３は、互いに接触するように積層される。

集電材３４は、例えば、メッシュ状、フェルト状、又はパンチングメタルを積層した、多孔質体である。このため、集電材３４の内部を、水蒸気Ｗ及び水素Ｈのようなガスが通過可能である。なお、集電材３４は、ガスの通過を制限する稠密性を有し、薄く形成されても良い。

第１のシール３５は、例えば、ガラスを含む材料によって作られ、略矩形の枠状に形成される。第１のシール３５に、収容口６１と、二つの第１の供給路６２と、二つの第２の供給路６３とが設けられる。収容口６１、第１の供給路６２、及び第２の供給路６３は、第１のシール３５をＺ軸に沿う方向に貫通する。

収容口６１は、第１のシール３５の略中央に設けられる。一方の集電材３４と、電気化学セル３１の一部とは、収容口６１の内部に保持される。第１の供給路６２は、Ｙ軸に沿う方向に延びる。二つの第１の供給路６２の間に、収容口６１が位置する。本実施形態において、収容口６１と第１の供給路６２とは互いに連通され、一つの開口を形成する。第２の供給路６３は、Ｘ軸に沿う方向に延びる。二つの第２の供給路６３の間に、収容口６１が位置する。

第１のシール３５は、ホルダ３２の上面３２ａと、一方のセパレータ３３との間に介在する。第１のシール３５は、例えば、電気化学セル３１とセパレータ３３との間の気密性を向上させる。

第２のシール３６は、例えば、ガラスを含む材料によって作られ、略矩形の枠状に形成される。第２のシール３６に、収容口６５と、二つの第１の供給路６６と、二つの第２の供給路６７とが設けられる。収容口６５、第１の供給路６６、及び第２の供給路６７は、第２のシール３６をＺ軸に沿う方向に貫通する。

収容口６５は、第２のシール３６の略中央に設けられる。他方の集電材３４は、収容口６５の内部に保持される。第１の供給路６６は、Ｙ軸に沿う方向に延びる。二つの第１の供給路６６の間に、収容口６５が位置する。第２の供給路６７は、Ｘ軸に沿う方向に延びる。二つの第２の供給路６７の間に、収容口６５が位置する。本実施形態において、収容口６５と第２の供給路６７とは互いに連通され、一つの開口を形成する。

第２のシール３６は、ホルダ３２の下面３２ｂと、他方のセパレータ３３との間に介在する。第２のシール３６は、例えば、電気化学セル３１とセパレータ３３との間の気密性を向上させる。

ホルダ３２、セパレータ３３、第１のシール３５、及び第２のシール３６の第１の供給路５２，５５，６２，６６は、互いに連通される。ＳＯＥＣ１１において、連通された第１の供給路５２，５５，６２，６６は、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが通る流路を形成する。

ホルダ３２、セパレータ３３、第１のシール３５、及び第２のシール３６の第２の供給路５３，５６，６３，６７は、互いに連通される。ＳＯＥＣ１１において、連通された第２の供給路５３，５６，６３，６７は、酸素が通る流路を形成する。

以下、水素極４２について詳しく説明する。図２に示すように、水素極４２は、第１の接触面７１と、第２の接触面７２と、第１の側面７３と、第２の側面７４とを有する。第１の側面７３は、第３の面の一例である。第２の側面７４は、第４の面の一例である。

第１の接触面７１は、Ｚ軸に沿う正方向に向く略平坦な面である。第１の接触面７１は、支持体４４に接触する。このため、水素極４２は、支持体４４及び集電材３４を介して、セパレータ３３に電気的に接続される。

第２の接触面７２は、Ｚ軸に沿う負方向に向く略平坦な面である。第２の接触面７２は、第１の接触面７１の反対側に位置する。第２の接触面７２は、固体電解質層４１の第１の主面４１ａに接触する。このため、固体電解質層４１と水素極４２との間で、イオンが移動可能となる。

第１の側面７３は、Ｘ軸に沿う正方向（Ｘ軸の矢印が向く方向）に向く、略平坦な面である。Ｘ軸に沿う正方向は、第１の主面４１ａが向く方向と交差する方向であり、第３の方向の一例である。

第２の側面７４は、Ｘ軸に沿う負方向（Ｘ軸の矢印の反対方向）に向く、略平坦な面である。Ｘ軸に沿う負方向は、第１の主面４１ａが向く方向と交差する方向であり、第４の方向の一例である。第２の側面７４は、第１の側面７３の反対側に位置する。

図４は、一つの実施形態の第１の側面７３の周辺における単位セル２２の一部を模式的に示す断面図である。図５は、一つの実施形態の第２の側面７４の周辺における単位セル２２の一部を模式的に示す断面図である。図６は、一つの実施形態の単位セル２２の他の一部を模式的に示す断面図である。

図４及び図５は、Ｙ軸沿う方向における同一位置において単位セル２２の断面を示す。図６は、Ｙ軸に沿う方向において、図４及び図５と異なる位置における単位セル２２の断面を示す。

図４乃至図６に示すように、水素極４２の内部に、流路８１が設けられる。流路８１の断面積は、水蒸気Ｗ及び水素Ｈのようなガスが通過可能な大きさを有する。言い換えると、水蒸気Ｗ及び水素Ｈのようなガスは、水素極４２の内部を通過可能である。

水素極４２は、壁部８３を有する。壁部８３は、流路８１を形成する内壁面８４を有する。言い換えると、流路８１は、内壁面８４により区画（規定）される空間である。別の表現によれば、内壁面８４は、流路８１の内部に向く面である。

図７は、一つの実施形態の水素極４２の一部を示す斜視図である。壁部８３は、複数の単位壁８６を含む。本実施形態において、単位壁８６は、ジャイロイド形状を有する。言い換えると、単位壁８６は、三方向に無限に連結可能な三次元の周期極小曲面を形成する。複数の単位壁８６は、互いに同一又は相似の形状を有する。複数の単位壁８６が互いに同一又は相似の形状を有する、とは、複数の単位壁８６の形状が製造上の誤差により互いに異なる場合も含まれる。

複数の単位壁８６は、Ｘ軸に沿う方向、Ｙ軸に沿う方向、及びＺ軸に沿う方向に、互いに接続される。なお、複数の単位壁８６は、少なくとも一つの方向に互いに接続されれば良い。

複数の単位壁８６に含まれる内壁面８４の一部は、流路８１の一部である単位通路８８の少なくとも一部を形成する。単位通路８８は、互いに同一又は相似の形状を有する。複数の単位壁８６が互いに接続されることで、複数の単位通路８８が、Ｘ軸に沿う方向、Ｙ軸に沿う方向、及びＺ軸に沿う方向に、互いに連通される。なお、図４乃至図６は流路８１及び壁部８３を模式的に示すため、図４乃至図６における流路８１及び壁部８３の形状は、図７における単位壁８６及び単位通路８８が互いに接続された形状と異なる。

上記のように、流路８１は、同一又は相似の形状を有するとともに互いに連通される複数の単位通路８８を有する。言い換えると、流路８１において、同一又は相似の形状の単位通路８８がＸ軸に沿う方向、Ｙ軸に沿う方向、及びＺ軸に沿う方向に繰り返し設けられる。なお、複数の単位通路８８は、少なくとも一つの方向に互いに連通されれば良い。

本実施形態において、複数の単位通路８８は、同一又は相似の形状を有する単位通路８８が繰り返し設けられるように互いに連通される。しかし、例えば、二つの単位通路８８が、互いに鏡面対称となるように連通されても良い。さらに、互いに相似の形状を有する二つの単位通路８８が互いに連通されることで、単位通路８８が設けられる間隔（ピッチ）が変化しても良い。複数の単位壁８６も同様に、互いに鏡面対称となるように接続されても良いし、単位壁８６が設けられる間隔が変化するように接続されても良い。

図４に示すように、流路８１の開口端８１ａは、第１の側面７３に開く。図５に示すように、流路８１の開口端８１ｂは、第２の側面７４に開く。図６に示すように、流路８１の開口端８１ｃは、第１の接触面７１に開く。開口端８１ｄは、第２の接触面７２に開く。さらに、流路８１の他の開口端が、水素極４２のＹ軸に沿う方向に向く側面に開く。なお、流路８１は、例えば、二つの開口端８１ａ，８１ｂのみを有しても良い。

図４及び図５に示すように、流路８１は、第１の側面７３と第２の側面７４との間を直線的に貫通する第１の直線部９１を含む。第１の直線部９１は、流路８１の一部であって、Ｘ軸に沿う方向に直線的に延びる部分である。このため、例えばＸ軸に沿う方向に第１の側面７３又は第２の側面７４を見た場合、水素極４２の向こう側が視認可能となる。

図６に示すように、流路８１は、第１の接触面７１と第２の接触面７２との間を直線的に貫通する第２の直線部９２を含む。第２の直線部９２は、流路８１の一部であって、Ｚ軸に沿う方向に直線的に延びる部分である。このため、例えばＺ軸に沿う方向に第１の接触面７１又は第２の接触面７２を見た場合、水素極４２の向こう側が視認可能となる。

水素極４２は、例えば、複数の層９４を有する。複数の層９４は、Ｚ軸に沿う方向に積層されることで、水素極４２を形成する。Ｚ軸に沿う方向は、第１の主面４１ａと交差する方向であり、第１の方向の一例である。なお、複数の層９４は、他の方向に積層されても良い。複数の層９４は、互いに略同一の厚さを有する。層９４の厚さは、水素極４２の材料の粒子の直径よりも大きい。

水素極４２は、例えば、光造形法による積層造形（付加製造、ＡＭ）を行う３Ｄプリンタによって製造される。なお、水素極４２は、他の手段により製造されても良い。３Ｄプリンタは、例えば、水素極４２の材料が混入された光硬化樹脂が供給される液槽と、当該液槽に紫外レーザー光を照射可能な光学装置とを有する。

光学装置は、液槽の樹脂の表面に、水素極４２の断面形状に応じて紫外レーザー光を照射する。これにより、樹脂が硬化し、一つの層９４が形成される。複数の層９４を積層することで、水素極４２が製造される。層９４に含まれる樹脂は、例えば、水素極４２を焼結する際に蒸発させられ、層９４から除去される。

内壁面８４は、複数の凸部９５を有する。複数の凸部９５は、流路８１の内部に突出する、略円弧状の断面を有する突起である。複数の凸部９５は、例えば、光造形法により層９４が作られることで、Ｘ軸に沿う方向及びＹ軸に沿う方向における層９４の端部に設けられる。Ｘ軸に沿う方向及びＹ軸に沿う方向は、第１の主面４１ａに沿う方向であって、第２の方向の一例である。

複数の凸部９５は、複数の層９４が積層される方向と交差する方向に突出する。さらに、複数の凸部９５は、複数の層９４が積層される方向に並んで配置される。なお、複数の凸部９５はこの例に限らず、他の方法によって作られても良い。

流路８１の断面は、略円形に形成される。流路８１の直径は、複数の層９４のそれぞれの厚さ（積層ピッチ）よりも長い。本実施形態における流路８１の直径は、例えば、Ｚ軸に沿う方向における流路８１の一方の端と他方の端との間の長さである。

図８は、一つの実施形態の水素極４２の内部を微視的且つ模式的に示す図である。図８に示すように、水素極４２は、複数の粒子９７を有する。粒子９７は、水素極４２の材料の粒子である。本実施形態において、複数の粒子９７は、ニッケルの粒子９７と、ジルコニア系酸化物の粒子９７とを含む。なお、図８において、ニッケルの粒子９７もジルコニア系酸化物の粒子９７も、同一のハッチングによって示される。

複数の粒子９７は、例えば、焼結によって互いに結合される。ニッケルの粒子９７が互いに結合することで、水素極４２は導電性を有する。さらに、ジルコニア系酸化物の粒子９７が互いに結合することで、水素極４２はイオン伝導性を有する。

複数の粒子９７の間に、空隙９８が形成される。言い換えると、空隙９８が、水素極４２の内部に設けられる。空隙９８は、例えば、空間、隙間、流路、又は通路とも称され得る。

空隙９８は、第１の接触面７１、第２の接触面７２、第１の側面７３、及び第２の側面７４のような水素極４２の表面に開く開気孔を含む。さらに、空隙９８の開気孔は、流路８１に連通する。なお、空隙９８は、閉気孔を含んでも良い。

流路８１の平均断面積は、空隙９８の平均断面積よりも大きい。本実施形態において、空隙９８の少なくとも一部の断面積は、水蒸気Ｗ及び水素Ｈのようなガスが通過可能な大きさを有する。なお、水素極４２の複数の粒子９７は、ガスの通過を制限する稠密性を有しても良い。

流路８１が設けられることで、水素極４２の開気孔率は、例えば４０％より大きくなる。例えば、本実施形態における水素極４２の開気孔率は、約８０％とすることができる。水素極４２の開気孔率が大きい場合も、水素極４２の壁部８３は、重力や、水蒸気Ｗや水素Ｈのようなガス、及びセパレータ３３のような他の部材から受ける外力に耐え得る稠密性を有する。

以上、水素極４２について説明したが、酸素極４３も、水素極４２と略同一の形状を有する。すなわち、酸素極４３も、第１の接触面７１、第２の接触面７２、第１の側面７３、第２の側面７４、壁部８３、複数の層９４、及び複数の粒子９７を有する。酸素極４３において、第１の接触面７１は、固体電解質層４１の第２の主面４１ｂに接触する。第２の接触面７２は、集電材３４に接触する。酸素極４３の粒子９７は、ランタン・ストロンチウム酸化物の粒子９７である。さらに、酸素極４３の内部にも、流路８１及び空隙９８が設けられる。

なお、酸素極４３は、水素極４２と異なる形状を有しても良い。例えば、酸素極４３は、造孔材や溶射法を用いて製造された多孔質体であっても良い。この場合、酸素のようなガスが、酸素極４３の粒子間の空隙を通過可能である。

図２に示すように、連通された一方の第１の供給路５２，５５，６２，６６に、水蒸気Ｗが供給される。当該第１の供給路５２，５５，６２，６６は、例えば、図１の配管１６を介して、蓄熱部１４に接続される。

図４に示すように、水蒸気Ｗは、例えば、第１の供給路５２の接続部５２ａを通って、水素極４２の第１の側面７３に到達する。水蒸気Ｗは、第１の側面７３に開く開口端８１ａから、流路８１に流入する。なお、水蒸気Ｗの一部は、第１の側面７３に開く空隙９８の開気孔に流入しても良い。また、図６に示すように、水蒸気Ｗの一部は、支持体４４や集電材３４を通って、第１の接触面７１に開く開口端８１ｃから、流路８１に流入しても良い。

流路８１に流入した水蒸気Ｗは、流路８１に沿って、Ｘ軸に沿う方向、Ｙ軸に沿う方向、及びＺ軸に沿う方向に拡散する。流路８１において、水蒸気Ｗは、内壁面８４を形成する粒子９７に接触する。

セパレータ３３、集電材３４、及び支持体４４を介して水素極４２に電力が供給されることで、ニッケルの粒子９７と、ジルコニア系酸化物の粒子９７と、水蒸気Ｗとの三相界面において電気化学反応が生じる。当該電気化学反応により、水蒸気Ｗは、水素Ｈと、酸素イオンとに分解される。粒子９７は、内壁面８４を形成するような稠密性を有するように焼結されるため、より多くの電子が複数のニッケルの粒子９７を通ることができ、電気化学反応が促進される。

図５に示すように、水素Ｈは、流路８１を通り、第２の側面７４に開く開口端８１ｂから、流路８１の外に流出する。水素Ｈは、他方の第１の供給路５２の接続部５２ａを通って、連通された他方の第１の供給路５２，５５，６２，６６に供給される。なお、水素Ｈと共に、未反応の水蒸気Ｗが、他方の第１の供給路５２，５５，６２，６６に供給されても良い。

水素Ｈは、他方の第１の供給路５２，５５，６２，６６から、図１の配管１５を介して、水素貯蔵部１３に供給される。水素Ｈに混入した水蒸気Ｗは、例えば、凝縮器によって水素Ｈから分離される。

酸素イオンは、互いに結合された複数のジルコニア系酸化物の粒子９７を通り、固体電解質層４１へ移動する。粒子９７は、内壁面８４を形成するような稠密性を有するように焼結されるため、より多くの酸素イオンが複数のジルコニア系酸化物の粒子９７を通ることができ、電気化学反応が促進される。酸素イオンは、固体電解質層４１を通って酸素極４３に到達し、酸素極４３において解離する。

酸素極４３で生じた酸素は、酸素極４３の流路８１を通って、酸素極４３の外に流出する。酸素は、第２の供給路５３の接続部５３ａを通って、連通された第２の供給路５３，５６，６３，６７に供給される。酸素は、第２の供給路５３，５６，６３，６７を通って、酸素貯蔵部に供給され、又は空気中に放出される。

以上のように、水素極４２の流路８１を通る水蒸気Ｗは、内壁面８４を形成するニッケルの粒子９７及びジルコニア系酸化物の粒子９７に接触することで、水素Ｈと酸素に電気分解される。さらに、水素極４２の空隙９８を通る水蒸気Ｗが、ニッケルの粒子９７及びジルコニア系酸化物の粒子９７に接触することで電気分解されても良い。

以上、ＳＯＥＣ１１のセルスタック２１について説明したが、ＳＯＦＣ１２も、ＳＯＥＣ１１と同じセルスタック２１を有する。すなわち、ＳＯＥＣ１１も、電気化学セル３１を有する。

ＳＯＥＣ１１において、水素極４２の流路８１に、図１の配管１７を介して、水素貯蔵部１３から水素Ｈが供給される。さらに、酸素極４３の流路８１に、酸素が供給される。これにより、電気化学セル３１は、発電するとともに、水素極４２において水（水蒸気Ｗ）を生じる。

以上説明された一つの実施形態に係る電力システム１０において、水素極４２の内部に、第１の側面７３及び第２の側面７４に開口端８１ａ，８１ｂが開き、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが通過可能な流路８１が設けられる。すなわち、水素極４２の内部の流路８１に水蒸気Ｗ及び水素Ｈを直接流すことができる。このため、例えば、水素極４２がＳＯＥＣ１１の水素極４２又はＳＯＦＣ１２の水素極４２である場合、流路８１に供給される水蒸気Ｗ又は水素Ｈが水素極４２の内部で拡散しやすく、水蒸気Ｗ又は水素Ｈと水素極４２との接触面積を確保しやすい。さらに、内壁面８４を形成するように、ニッケルの粒子９７とジルコニア系酸化物の粒子９７とが、例えば焼結により凝集される。複数のジルコニア系酸化物の粒子９７が凝集して面接触することで、酸素イオンが移動可能な経路が増大し、水素極４２で酸素イオンが移動しやすくなる。複数のニッケルの粒子９７が凝集して面接触することで、水素極４２で電子が移動しやすくなる。以上により、電気化学セル３１における電気化学反応の効率が向上する。

流路８１は、同一又は相似の形状を有するとともに互いに連通される複数の単位通路８８を有する。言い換えると、流路８１は、規則的に延びる。例えば、一般的に、造孔材や溶射を用いて電極を作ることで、粒子間に無作為な形状の通路が形成されることがある。しかし、閉気孔を含んだり、水蒸気Ｗ及び水素Ｈの通過を制限するほど断面積が小さくなったりする当該通路に比べ、規則的に延びる本実施形態の流路８１では、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが拡散しやすい。従って、電気化学セル３１における電気化学反応の効率が向上する。

内壁面８４は、流路８１の内部に突出する複数の凸部９５を有する。これにより、内壁面８４の表面積が増える。例えば、水素極４２がＳＯＥＣ１１の水素極４２又はＳＯＦＣ１２の水素極４２である場合、流路８１に供給される水蒸気Ｗ又は水素Ｈと水素極４２の内壁面８４との接触面積（反応面積）が増え、電気化学セル３１における電気化学反応の効率が向上する。

凸部９５は、第１の主面４１ａに沿うＸ軸に沿う方向及びＹ軸に沿う方向における層９４の端部に設けられる。例えば、光造形法により、複数の層９４を形成することで水素極４２を製造することができる。光造形法において、層９４の端部は略円弧状の凸な形状を呈する。すなわち、内壁面８４は、光造形法のような複数の層９４の形成を伴う手段により容易に形成可能な複数の凸部９５を有する。従って、複数の凸部９５を容易に形成することができる。

第１の側面７３はＸ軸に沿う正方向に向き、第２の側面７４はＸ軸に沿う負方向に向く。Ｘ軸に沿う正方向及び負方向は、第１の主面４１ａが向く方向と交差する。これにより、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが、第１の側面７３に開く流路８１の一方の開口端８１ａから流入し、第２の側面７４に開く流路８１の他方の開口端８１ｂから流出することができる。従って、水蒸気Ｗ及び水素Ｈに水素極４２の内部の流路８１を通過させやすく、例えば、水素極４２がＳＯＥＣ１１の水素極４２又はＳＯＦＣ１２の水素極４２である場合、流路８１に供給される水蒸気Ｗ又は水素Ｈが水素極４２の内部で拡散しやすい。また、セパレータ３３に流路を形成する必要が無くなり、電気化学セル３１を薄型化できる。

流路８１は、第１の側面７３と第２の側面７４との間を直線状に貫通する第１の直線部９１を含む。これにより、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが、第１の側面７３に開く流路８１の一方の開口端８１ａと、第２の側面７４に開く流路８１の他方の開口端８１ｂとの間で、直進性を持って流れやすくなる。従って、例えば、水素極４２がＳＯＥＣ１１の水素極４２又はＳＯＦＣ１２の水素極４２である場合、流路８１に供給される水蒸気Ｗ又は水素Ｈが水素極４２の内部で拡散しやすい。

水素極４２において、流路８１の平均断面積は、粒子９７間の空隙９８の平均断面積よりも大きい。このため、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが流路８１を通過しやすくなり、流路８１に供給される水蒸気Ｗ又は水素Ｈが水素極４２の内部で拡散しやすい。従って、電気化学セル３１における電気化学反応の効率が向上する。

空隙９８は、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが通過可能な大きさを有する。これにより、例えば、水素極４２がＳＯＥＣ１１の水素極４２又はＳＯＦＣ１２の水素極４２である場合、流路８１に供給される水蒸気Ｗ及び水素Ｈと水素極４２との接触面積が増え、電気化学セル３１における電気化学反応の効率が向上する。

複数の層９４が積層された方向における流路８１の一方の端と他方の端との間の長さは、複数の層９４のそれぞれの長さよりも長い。このため、水蒸気Ｗ及び水素Ｈが流路８１を通過しやすくなり、流路８１に供給される水蒸気Ｗ又は水素Ｈが水素極４２の内部で拡散しやすい。従って、電気化学セル３１における電気化学反応の効率が向上する。

上記実施形態において、流路８１は、複数の単位通路８８が連続する波形に形成される。しかし、流路８１は、直線状のような他の形状に形成されても良い。さらに、上記実施形態において、流路８１は、固体電解質層４１に隣接する。しかし、流路８１は、例えば壁部８３によって、固体電解質層４１から隔てられても良い。

さらに、上記実施形態において、支持体４４は水素極４２に重ねられる。しかし、支持体４４は、例えば、酸素極４３に重ねられても良い。この場合、支持体４４は、例えば、酸素極４３の材料と同一又は類似する材料によって作られ、耐酸化性を有する。酸素極４３は、固体電解質層４１と支持体４４との間に位置する。支持体４４は、内部を酸素のようなガスが通過可能に形成されても良いし、ガスの通過を制限する稠密性を有しても良い。

以上説明された一つの実施形態によれば、第１の電極の内部に、ガスが通過可能な流路が内壁面により形成される。このため、電気化学セルにおける電気化学反応の効率が向上する。

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。
以下に、出願当初の特許請求の範囲の内容を付記する。
［１］
第１の面と、第２の面と、を有し、イオンが移動可能な絶縁性の固体電解質層と、
前記第１の面上に設けられ、ガスが通過可能な流路が内部に設けられ、前記流路の一方の開口端が開く第３の面と、前記流路の他方の開口端が開く第４の面と、前記流路を形成する内壁面と、を有する、陽極及び陰極のうち一方の第１の電極と、
前記第２の面上に設けられた、前記陽極及び前記陰極のうち他方の第２の電極と、
を具備する電気化学セル。
［２］
前記流路は、同一又は相似の形状を有するとともに互いに連通される複数の単位通路を有する、［１］の電気化学セル。
［３］
前記内壁面は、前記流路の内部に突出する複数の凸部を有する、［１］の電気化学セル。
［４］
前記第１の電極は、前記第１の面と交差する第１の方向に積層された複数の層を有し、
前記凸部は、前記第１の面に沿う第２の方向における前記複数の層の端部に設けられる、
［３］の電気化学セル。
［５］
前記第３の面は、前記第１の面が向く方向と交差する第３の方向に向き、
前記第４の面は、前記第１の面が向く方向と交差する第４の方向に向く、
［１］の電気化学セル。
［６］
前記第３の面は、前記第４の面の反対側に位置し、
前記流路は、前記第３の面と前記第４の面との間を直線状に貫通する部分を含む、
［１］の電気化学セル。
［７］
前記第１の電極は、互いに結合された複数の粒子を有し、前記複数の粒子の間に形成された空隙が内部に設けられ、
前記流路の平均断面積は、前記空隙の平均断面積よりも大きい、
［１］の電気化学セル。
［８］
前記空隙は、前記ガスが通過可能である、［７］の電気化学セル。
［９］
前記第１の電極は、積層された複数の層を有し、
前記複数の層が積層された方向における前記流路の一方の端と他方の端との間の長さは、前記複数の層のそれぞれの厚さよりも長い、
［１］の電気化学セル。
［１０］
［１］乃至［９］のいずれか一つの電気化学セルと、
前記流路に前記ガスを供給する供給部と、
を具備する電気化学装置。

１０…電力システム、１１…ＳＯＥＣ、１２…ＳＯＦＣ、１９…配管、２１…セルスタック、２２…単位セル、３１…電気化学セル、４１…固体電解質層、４１ａ…第１の主面、４１ｂ…第２の主面、４２…水素極、４３…酸素極、７１…第１の接触面、７２…第２の接触面、７３…第１の側面、７４…第２の側面、８１…流路、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ…開口端、８４…内壁面、８８…単位通路、９１…第１の直線部、９４…層、９５…凸部、９７…粒子、９８…空隙、Ｗ…水蒸気、Ｈ…水素。

Claims (10)

1. 第１の面と、第２の面と、を有し、イオンが移動可能な絶縁性の固体電解質層と、
   前記第１の面上に設けられ、ガスが通過可能な流路が内部に設けられ、前記流路の一方の開口端が開く第３の面と、前記流路の他方の開口端が開く第４の面と、前記流路を形成する内壁面と、を有する、陽極及び陰極のうち一方の第１の電極と、
   前記第２の面上に設けられた、前記陽極及び前記陰極のうち他方の第２の電極と、
   を具備し、
   前記流路は、同一又は相似の形状を有するとともに、互いに直交する三方向に互いに連通される、複数の単位通路を有する、
   電気化学セル。
2. 前記流路は、前記複数の単位通路が連続する波形に形成される、請求項１の電気化学セル。
3. 前記第１の電極は、互いに直交する前記三方向に互いに接続され、前記内壁面の少なくとも一部を含み、前記複数の単位通路を形成する、複数の単位壁を有し、
   前記複数の単位通路は、前記複数の単位壁が互いに接続されることで、互いに直交する前記三方向に互いに連通され、
   前記複数の単位壁は、互いに同一又は相似の形状を有し、ジャイロイド形状を有する、
   請求項１又は請求項２の電気化学セル。
4. 前記第１の電極は、前記第１の面と交差する第１の方向に積層された複数の層を有し、
   前記第１の方向と直交する第２の方向における前記複数の層のうち少なくとも一つの端部は、前記流路の内部へ突出する凸部を形成する、
   請求項１の電気化学セル。
5. 前記第３の面は、前記第１の面が向く方向と交差する第３の方向に向き、
   前記第４の面は、前記第１の面が向く方向と交差する第４の方向に向く、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一つの電気化学セル。
6. 前記第３の面は、前記第４の面の反対側に位置し、
   前記流路は、前記第３の面から前記第４の面に向かう第５の方向に前記第３の面を見た場合に前記第１の電極の向こう側を視認可能とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一つの電気化学セル。
7. 前記第１の電極は、互いに結合された複数の粒子を有し、前記複数の粒子の間に形成された空隙が内部に設けられ、
   前記流路の平均断面積は、前記空隙の平均断面積よりも大きい、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一つの電気化学セル。
8. 前記空隙は、前記ガスが通過可能である、請求項７の電気化学セル。
9. 前記第１の電極は、積層された複数の層を有し、
   前記流路の直径は、前記複数の層のそれぞれの厚さよりも長い、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一つの電気化学セル。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一つの電気化学セルと、
    前記流路に前記ガスを供給する供給部と、
    を具備する電気化学装置。

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