JP6839926B2 - 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 - Google Patents
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Description
本発明は、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。
従来の固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と記す。）は、主としてセラミックス材料を支持体とするＳＯＦＣの開発が進められている。ＳＯＦＣには、平板型セルや筒型セル、円盤型セルなど、構造の異なる幾つかの種類があるが、それぞれに長所と短所がある。筒型セルでは、平板型セルに比べて、ガスシールが容易である一方、筒の軸方向の電気抵抗が大きくなり、大きな出力密度が得られにくいという課題があった。特許文献１では、電極支持体の厚みを２ｍｍ程度と厚く作製し、軸方向の導電断面積を大きくすることにより、セルの電気抵抗を抑えることが可能であった。
特許文献１に記載の従来の筒型セルでは、筒の軸方向の電気抵抗を抑えるために、電極層を厚くする必要があった。そのため、高価なセラミックス材料を大量に使用する必要があり、これが高コストに繋がっていた。加えて、セラミックスを支持体とするため、高い信頼性・強度を得ることができなかった。更に、セラミックス同士の接続が困難であり、また、電気的な接続も困難なため、構造が複雑になり、信頼性・耐久性の確保やコストダウンが困難であるという課題も残っていた。
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、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学素子を含む技術を提供することにある。
〔構成１〕
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、
金属支持体と電気化学反応部とを有し、
前記金属支持体が筒形状であり、前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属支持体の表面に配置されており、
前記電解質層は、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されている電気化学素子と、
有突起集電板とを有するセルユニットを、複数有し、前記セルユニットの前記電気化学素子が互いに電気的に接続されており、
前記金属支持体の筒の内部に気体を供給する金属製のガスマニホールドを有し、前記金属支持体と前記ガスマニホールドとの間に接合部位が形成されている電気化学モジュールであって、
前記有突起集電板は、金属製の板であって、凹部または凸部が１つ以上含まれる凹凸構造部位を有し、
複数のセルユニットが積層される際に、前記有突起集電板が、接続部材により前記ガスマニホールドに接続された状態で、一方のセルユニットの金属支持体と、もう一方のセルユニットの対極電極層とを電気的に接続する点にある。
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、
金属支持体と電気化学反応部とを有し、
前記金属支持体が筒形状であり、前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属支持体の表面に配置されており、
前記電解質層は、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されている電気化学素子と、
有突起集電板とを有するセルユニットを、複数有し、前記セルユニットの前記電気化学素子が互いに電気的に接続されており、
前記金属支持体の筒の内部に気体を供給する金属製のガスマニホールドを有し、前記金属支持体と前記ガスマニホールドとの間に接合部位が形成されている電気化学モジュールであって、
前記有突起集電板は、金属製の板であって、凹部または凸部が１つ以上含まれる凹凸構造部位を有し、
複数のセルユニットが積層される際に、前記有突起集電板が、接続部材により前記ガスマニホールドに接続された状態で、一方のセルユニットの金属支持体と、もう一方のセルユニットの対極電極層とを電気的に接続する点にある。
上記の特徴構成によれば、電気伝導性の高い金属支持体表面に電気化学反応部を形成するため、支持体の厚みを厚くせずとも、筒の軸方向の電気抵抗を非常に小さく抑えることができ、材料コストを削減するとともに、電気化学素子を有するセルユニットを備えた電気化学モジュールのコンパクト化を図ることができる。
また、薄くても十分な強度を有する堅牢な金属支持体の表面に電気化学反応部を配置するから、コンパクトで高性能かつ強度と信頼性に優れた電気化学素子を得ると共に、電極層や電解質層に使用する高価なセラミックス材料の使用量を抑制しつつ、安価な金属材料で強度を確保することで材料コストを抑制し、セラミックスより加工しやすい金属支持体を用いることで加工コストを抑制した、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学素子を有するセルユニットを備えた電気化学モジュールを得ることができる。
更に、支持体が熱伝導性の高い金属からなるため、電気化学素子内での熱分布が生じ難く、熱応力分布による信頼性・耐久性の低下を抑えることが可能である。
なお、筒形状とは、断面形状が円、楕円、小判形、多角形等の形状である、筒形構造全般を含むものであり、上述の作用効果が得られる範囲であれば、加工上の問題も考慮して表面に凹凸があるものでも構わない。
また、上記の特徴構成によれば、上述のセルユニットの電気化学素子が複数電気的に接続されることで、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。
更に、上記の特徴構成によれば、金属支持体とガスマニホールドは共に金属であるから、ガスマニホールドの形状に合わせて、ろう付けを含む各種の溶接や、かしめ等によって前記接合部位を形成できるため、材料コストおよび加工コストを抑制した低コストな電気化学モジュールを実現することができる。
〔構成２〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記有突起集電板が拡散防止膜を有する点にある。
〔構成３〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記凹凸構造部位が前記もう一方のセルユニットの対極電極層に接続される点にある。
また、薄くても十分な強度を有する堅牢な金属支持体の表面に電気化学反応部を配置するから、コンパクトで高性能かつ強度と信頼性に優れた電気化学素子を得ると共に、電極層や電解質層に使用する高価なセラミックス材料の使用量を抑制しつつ、安価な金属材料で強度を確保することで材料コストを抑制し、セラミックスより加工しやすい金属支持体を用いることで加工コストを抑制した、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学素子を有するセルユニットを備えた電気化学モジュールを得ることができる。
更に、支持体が熱伝導性の高い金属からなるため、電気化学素子内での熱分布が生じ難く、熱応力分布による信頼性・耐久性の低下を抑えることが可能である。
なお、筒形状とは、断面形状が円、楕円、小判形、多角形等の形状である、筒形構造全般を含むものであり、上述の作用効果が得られる範囲であれば、加工上の問題も考慮して表面に凹凸があるものでも構わない。
また、上記の特徴構成によれば、上述のセルユニットの電気化学素子が複数電気的に接続されることで、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。
更に、上記の特徴構成によれば、金属支持体とガスマニホールドは共に金属であるから、ガスマニホールドの形状に合わせて、ろう付けを含む各種の溶接や、かしめ等によって前記接合部位を形成できるため、材料コストおよび加工コストを抑制した低コストな電気化学モジュールを実現することができる。
〔構成２〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記有突起集電板が拡散防止膜を有する点にある。
〔構成３〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記凹凸構造部位が前記もう一方のセルユニットの対極電極層に接続される点にある。
〔構成４〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電気化学反応部が、前記金属支持体の外側の面に配置されている点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電気化学反応部が、前記金属支持体の外側の面に配置されている点にある。
上記の特徴構成によれば、セルユニットを備えた電気化学モジュールの形成プロセスが簡易になり、製造コストを低く抑えることが可能である。
〔構成５〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電極層、前記電解質層、前記対極電極層が、それぞれ薄層として形成されている点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電極層、前記電解質層、前記対極電極層が、それぞれ薄層として形成されている点にある。
上記の特徴構成によれば、電極層、電解質層、対極電極層が、それぞれ薄層として形成されているから、電気化学反応部での反応効率を高めてセルユニットを備えた電気化学モジュールを高性能化することができる。また電気化学反応部を形成するための材料の量が少なくなるから、セルユニットを備えた電気化学モジュールの材料コストを低減することができる。
〔構成６〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記金属支持体が、内側と外側との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有する点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記金属支持体が、内側と外側との間での気体の通流を許容する気体通流許容領域を有する点にある。
上記の特徴構成によれば、気体通流許容領域を通じて、気体を電極層に供給できるようになるため、燃料電池のような気体を反応に用いるセルユニットを備えた電気化学モジュールに好適である。
〔構成７〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記気体流通許容領域の外側の面または内側の面が、気密層によって覆われている点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記気体流通許容領域の外側の面または内側の面が、気密層によって覆われている点にある。
上記の特徴構成によれば、上記の気密層の、前記気体流通許容領域側に前記電極層を、もう一方の側に前記対極電極層をそれぞれ配置することで、前記電極層と前記対極電極層との間のガス流通を遮断することが可能であり、もって上記セルユニットを備えた電気化学モジュールの性能を高めることが可能である。
なお、気密層として、電解質層や後述の電子伝導層だけでなく、ガラスフリット等のガスシール材からなる層を適用可能である。
なお、気密層として、電解質層や後述の電子伝導層だけでなく、ガラスフリット等のガスシール材からなる層を適用可能である。
〔構成８〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記気密層が少なくとも前記電解質層を含む点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記気密層が少なくとも前記電解質層を含む点にある。
上記の特徴構成によれば、前記電極層と前記対極電極層の間のガス流通を、前記電解質層によって遮断することで、上記セルユニットを備えた電気化学モジュールの構成要素数を削減でき、材料コスト・加工コストを抑えるとともに、材料間の熱膨張率のミスマッチ等による信頼性の低下を抑えることができる。
〔構成９〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記気密層が、少なくとも前記電解質層と電子伝導層を含む点にある。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記気密層が、少なくとも前記電解質層と電子伝導層を含む点にある。
上記の特徴構成によれば、一本の金属支持体上に複数の電気化学反応部を作製し、一の電気化学反応部の電極層と、他の電気化学反応部の対極電極層とを電気的に接続した、いわゆる横縞形ＳＯＦＣとして使用することが可能であり、一つのセルユニットを備えた電気化学モジュールから高電圧の電力を取り出すことができる。この際、前記電極層と前記対極電極層の間のガス流通を、前記電解質層と前記電子伝導層とによって遮断することで、上記セルユニットを備えた電気化学モジュールの構成要素数を削減でき、材料コスト・加工コストを抑えるとともに、材料間の熱膨張率のミスマッチ等による信頼性の低下を抑えることができる。
〔構成１０〕
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電極層が、気体透過性を有する多孔質であることである。
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電極層が、気体透過性を有する多孔質であることである。
上記の特徴構成によれば、前記電極層内での気体拡散性が高く、高性能なセルユニットを備えた電気化学モジュールを得ることができる。
〔構成１１〕
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、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を供給する燃料供給部とを少なくとも有し、前記電気化学モジュールから電力を取り出す構成とする点にある。
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、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を供給する燃料供給部とを少なくとも有し、前記電気化学モジュールから電力を取り出す構成とする点にある。
上記の特徴構成によれば、例えば、水素や炭化水素ガス、アルコール等の、還元性成分を含有する燃料を電気化学モジュールに供給して、電気化学反応により発電を行って電力を取り出すことができるので、コンパクトで高性能な、強度と信頼性・耐久性に優れた電気化学装置を実現することができる。このため、定置用や移動用など、多岐に渡る用途に使用可能な電気化学装置として好適である。
〔構成１２〕
本発明に係る電気化学装置の別の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器を少なくとも有し、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。
本発明に係る電気化学装置の別の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器を少なくとも有し、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。
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、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、低コストでコンパクトな耐久性・信頼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、低コストでコンパクトな耐久性・信頼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。また、電気化学モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現することができる。
〔構成１３〕
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。
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。
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、低コストでコンパクトな耐久性・信頼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。なお、電気化学装置から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリットシステムを実現することもできる。
〔第１実施形態〕
＜電気化学素子＞
以下、第１実施形態に係る電気化学素子について図１〜図３に基づいて説明する。電気化学素子Ｑは、金属支持体１と電気化学反応部Ｒとを有し、金属支持体１が筒形状であり、筒の外側１ｅと内側１ｆとの間での気体の通流を許容する気体通流許容領域Ｐを有し、電気化学反応部Ｒは、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃとを少なくとも有し、金属支持体１の外側１ｅに配置されており、電極層Ａに、気体通流許容領域Ｐを通流した気体が供給され、電解質層Ｂは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に配置され、電極層Ａと気体通流許容領域Ｐとを覆って設けられている。
＜電気化学素子＞
以下、第１実施形態に係る電気化学素子について図１〜図３に基づいて説明する。電気化学素子Ｑは、金属支持体１と電気化学反応部Ｒとを有し、金属支持体１が筒形状であり、筒の外側１ｅと内側１ｆとの間での気体の通流を許容する気体通流許容領域Ｐを有し、電気化学反応部Ｒは、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃとを少なくとも有し、金属支持体１の外側１ｅに配置されており、電極層Ａに、気体通流許容領域Ｐを通流した気体が供給され、電解質層Ｂは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に配置され、電極層Ａと気体通流許容領域Ｐとを覆って設けられている。
＜金属支持体＞
金属支持体１は、両端が開放された金属製の筒である。金属支持体１には、外側１ｅと内側１ｆとを貫通して複数の貫通孔１ａが形成されている。本実施形態では、金属支持体１は両端が開放された円筒形状であり、貫通孔１ａは、筒の径方向に沿って枝分かれのない直線状に形成されている。貫通孔１ａは、金属支持体１の両端を除いて、金属支持体１の全面に設けられている。本実施形態では、貫通孔１ａが設けられている帯状の領域を気体通流許容領域Ｐと称する。
金属支持体１は、両端が開放された金属製の筒である。金属支持体１には、外側１ｅと内側１ｆとを貫通して複数の貫通孔１ａが形成されている。本実施形態では、金属支持体１は両端が開放された円筒形状であり、貫通孔１ａは、筒の径方向に沿って枝分かれのない直線状に形成されている。貫通孔１ａは、金属支持体１の両端を除いて、金属支持体１の全面に設けられている。本実施形態では、貫通孔１ａが設けられている帯状の領域を気体通流許容領域Ｐと称する。
なお、金属支持体１は、支持体として電気化学素子を形成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みのものを用いることができる。また、金属支持体１には、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
金属支持体１の材料としては、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた金属材料が用いられる。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。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。例えば、Ｃｒを１５重量％〜２５重量％程度含むＦｅ−Ｃｒ系合金材料の場合、その上に形成する電極層Ａや電解質層Ｂの材料と熱膨張率が近くなり、信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を得ることができるため好ましい。また、Ｃｒを７０重量％以上含むＣｒリッチなＣｒ−Ｆｅ系合金を用いることもできる。更に、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ系やＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の合金等も用いることができる。
金属支持体１の表面には、拡散防止膜（図示なし）が形成されている。拡散防止膜は、金属支持体１からのＣｒの飛散を抑制するために設けられる。拡散防止膜は導電性を有し、電気化学反応部Ｒの電極層Ａ（後述）と金属支持体１との導通を抑制しないよう、低い抵抗値となるように構成される。
拡散防止膜の抵抗値としては、０．１Ω・ｃｍ2程度以下であればよく、０．０５Ω・ｃｍ2程度以下であれば、電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させた場合でも十分な起電力と電流量を確保でき好適である。
拡散防止膜は種々の手法により形成されうるが、金属支持体１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。その場合、酸素分圧を低く制御した雰囲気下や、不活性ガスあるいは水素雰囲気下にて金属支持体１を熱処理することにより、適切な厚さおよび抵抗値を有する拡散防止膜を金属支持体１の表面に好適に形成することができる。特に、金属支持体１に、Ｃｒを１５重量％〜２５重量％程度含むＦｅ−Ｃｒ系合金材料を用いると、焼成処理によって、その表面に容易に酸化クロムを主成分とする拡散防止膜を形成することができるため好ましい。また、拡散防止膜は、金属支持体１の表面に、スパッタリング法やＰＬＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、拡散防止膜は導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
＜電気化学反応部＞
本実施形態に係る電気化学反応部Ｒは、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃと、中間層とを有する。
本実施形態に係る電気化学反応部Ｒは、電極層Ａと、電解質層Ｂと、対極電極層Ｃと、中間層とを有する。
＜電極層＞
電極層Ａは、金属支持体１の外側１ｅの表面（すなわち拡散防止膜）の上に、膜の状態で形成される。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。
電極層Ａ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複合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複合材の骨材と呼ぶ。電極層Ａは、気体透過性を具備するように形成される。例えば、電極層Ａ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。
電極層Ａは、金属支持体１の外側１ｅの表面（すなわち拡散防止膜）の上に、膜の状態で形成される。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。
電極層Ａ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複合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複合材の骨材と呼ぶ。電極層Ａは、気体透過性を具備するように形成される。例えば、電極層Ａ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。
電極層Ａ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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な電極層Ａが得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
＜電解質層＞
電解質層Ｂは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に膜状で設けられる。その膜厚は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度、好ましくは１μｍ〜２０μｍ程度、より好ましくは２μｍ〜１０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電解質層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電解質性能を確保することが可能となる。
電解質層Ｂ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Ｂをジルコニア系セラミックスにすると、電気化学素子Ｑ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素子Ｑを構成することができる。
電解質層Ｂは、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に膜状で設けられる。その膜厚は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度、好ましくは１μｍ〜２０μｍ程度、より好ましくは２μｍ〜１０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電解質層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電解質性能を確保することが可能となる。
電解質層Ｂ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Ｂをジルコニア系セラミックスにすると、電気化学素子Ｑ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素子Ｑを構成することができる。
電解質層Ｂ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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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Ｂが得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
電解質層Ｂは、気密性を保つために緻密に構成される。なお、電解質層Ｂ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、相対密度を高くすることで電解質層Ｂを緻密なもの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Ｂの密度の割合を表す。
＜対極電極層＞
対極電極層Ｃは、電解質層Ｂの上に膜状で設けられる。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な対極電極性能を確保することが可能となる。
対極電極層Ｃ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。なお対極電極層Ｃ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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な対極電極層Ｃが得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
対極電極層Ｃは、電解質層Ｂの上に膜状で設けられる。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ〜５０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な対極電極性能を確保することが可能となる。
対極電極層Ｃ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。なお対極電極層Ｃ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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な対極電極層Ｃが得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
＜中間層＞
なお、電極層Ａと電解質層Ｂとの間に中間層（緩衝層）が膜の状態で形成されていてもよい。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な中間層性能を確保することが可能となる。
中間層の材料としては、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。中間層を電極層Ａと電解質層Ｂとの間に導入することにより、電気化学反応部Ｒの性能や信頼性、耐久性を向上できる。なお中間層は、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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な中間層が得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
なお、電極層Ａと電解質層Ｂとの間に中間層（緩衝層）が膜の状態で形成されていてもよい。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な中間層性能を確保することが可能となる。
中間層の材料としては、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。中間層を電極層Ａと電解質層Ｂとの間に導入することにより、電気化学反応部Ｒの性能や信頼性、耐久性を向上できる。なお中間層は、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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な中間層が得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
また電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に、中間層（反応防止層）が膜の状態で形成されていてもよい。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な中間層性能を確保することが可能となる。
中間層の材料としては、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。中間層を電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に導入することにより、対極電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂ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Ｒの性能の長期安定性を向上できる。なお中間層は、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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な中間層が得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
中間層の材料としては、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。中間層を電解質層Ｂと対極電極層Ｃとの間に導入することにより、対極電極層Ｃの構成材料と電解質層Ｂ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Ｒの性能の長期安定性を向上できる。なお中間層は、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）やスプレーコーティング法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法、ＣＶＤ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、良好な中間層が得られる。そのため、金属支持体１に高温加熱によるダメージを与えることを抑制でき、また、金属支持体１と電極層Ａとの間の高温加熱による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Ｑを実現できるので好ましい。
以上説明した中間層は、一方だけ、あるいは両方を設けることが可能である。すなわち、電極層Ａ、電解質層Ｂ、中間層、対極電極層Ｃをこの順で積層した構成も可能である。電極層Ａ、中間層、電解質層Ｂ、対極電極層Ｃをこの順で積層した構成も可能である。電極層Ａ、中間層、電解質層Ｂ、中間層、対極電極層Ｃをこの順で積層した構成も可能である。
＜気密層＞
本実施形態では、気密層は電解質層Ｂからなる。つまり、電解質層Ｂが、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間の気体の流通を遮断する。
なお、気密層として、例えば、後述の電子伝導層や、ガラスシール材をはじめとするガスシール材等からなる層を適用することもできる。
気密層を構成する各層の緻密度は、例えば相対密度９０％以上、好ましくは相対密度９５％以上、より好ましくは相対密度９８％以上とすることができる。このような緻密度にすることで、ガスの流通を遮断する、気密性の高い層とすることができる。なお相対密度とは、各層の構成材料の理論密度に対して実際に形成された各層の密度の割合を表す。
また、その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な気密性を確保することが可能となる。
本実施形態では、気密層は電解質層Ｂからなる。つまり、電解質層Ｂが、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間の気体の流通を遮断する。
なお、気密層として、例えば、後述の電子伝導層や、ガラスシール材をはじめとするガスシール材等からなる層を適用することもできる。
気密層を構成する各層の緻密度は、例えば相対密度９０％以上、好ましくは相対密度９５％以上、より好ましくは相対密度９８％以上とすることができる。このような緻密度にすることで、ガスの流通を遮断する、気密性の高い層とすることができる。なお相対密度とは、各層の構成材料の理論密度に対して実際に形成された各層の密度の割合を表す。
また、その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な気密性を確保することが可能となる。
以上の様に構成された電気化学素子Ｑでは、導電性を有する拡散防止膜の上に接して電極層Ａが形成されている。したがって、金属支持体１と電極層Ａとの間の電気伝導性が確保されている。
また以上の様にして構成された本実施形態に係る電気化学素子Ｑでは、金属支持体１の外側１ｅにおいて、気体通流許容領域Ｐが、電解質層Ｂによって覆われている。電解質層Ｂは気密性の高い層であるから、電解質層Ｂが電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に配置されることにより、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間のガス流通を遮断して、もって電気化学素子Ｑの性能が高められている。
＜電気化学反応部Ｒでの電気化学反応＞
以上の様に構成された電気化学反応部Ｒは、気体の供給を受け、電気化学反応を生じさせる。
以上の様に構成された電気化学反応部Ｒは、気体の供給を受け、電気化学反応を生じさせる。
電気化学反応部Ｒが燃料電池として動作する場合は、電極層Ａに水素ガスが供給され、対極電極層Ｃに酸素ガスが供給される。そうすると、対極電極層Ｃにおいて酸素分子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Ｂを通って電極層Ａへ移動する。電極層Ａにおいては、水素分子Ｈ2が酸素イオンＯ2-と反応し、水Ｈ2Ｏと電子ｅ-が生成される。以上の反応により、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に起電力が発生し、発電が行われる。
電気化学反応部Ｒが電解セルとして動作する場合は、電極層Ａに水蒸気を含有するガスが供給され、電極層Ａと対極電極層Ｃとの間に電圧が印加される。そうすると、電極層Ａにおいて水分子Ｈ2Ｏが電子ｅ-を受け取って水素分子Ｈ2と酸素イオンＯ2-となる。酸素イオンＯ2-は電解質層Ｂを通って対極電極層Ｃへ移動する。対極電極層Ｃにおいて酸素イオンＯ2-が電子を放出して酸素分子Ｏ2となる。以上の反応により、水分子Ｈ2Ｏが水素Ｈ2と酸素Ｏ2とに電気分解される。
＜セルユニット＞
次に、本実施形態に係るセルユニットＵについて図４〜図６に基づいて説明する。セルユニットＵは、電気化学素子Ｑと、有突起集電板３とを有する。有突起集電板３は、金属製の板であって、凹部または凸部が１つ以上含まれる凹凸構造部位３ａを有し、金属支持体１に電気的に接続されており、凹凸構造部位３ａが、複数のセルユニットＵが積層される際に、他のセルユニットＵの対極電極層Ｃに接続される。そしてセルユニットＵは、金属支持体１の筒の内部に気体を供給する金属製のガスマニホールド８を有し、金属支持体１がガスマニホールド８との間に接合部位を形成している。
次に、本実施形態に係るセルユニットＵについて図４〜図６に基づいて説明する。セルユニットＵは、電気化学素子Ｑと、有突起集電板３とを有する。有突起集電板３は、金属製の板であって、凹部または凸部が１つ以上含まれる凹凸構造部位３ａを有し、金属支持体１に電気的に接続されており、凹凸構造部位３ａが、複数のセルユニットＵが積層される際に、他のセルユニットＵの対極電極層Ｃに接続される。そしてセルユニットＵは、金属支持体１の筒の内部に気体を供給する金属製のガスマニホールド８を有し、金属支持体１がガスマニホールド８との間に接合部位を形成している。
詳しくは本実施形態に係るセルユニットＵは、４つの電気化学素子Ｑと、有突起集電板３と、一対のガスマニホールド８と、連結管９とを有して構成される。
＜ガスマニホールド、連結管＞
ガスマニホールド８は、金属製の中空の直方体である。一方のガスマニホールド８の側面に、４つの電気化学素子Ｑが接続され、電気化学素子Ｑの他方の端に他方のガスマニホールド８が接続されている。ガスマニホールド８と電気化学素子Ｑとの接続は、ガスマニホールド８の内部の空間と、金属支持体１の筒の内部の空間とが連通する形態で行われる。また、金属支持体１とガスマニホールド８（の側面）との間に接合部位を形成している。
ガスマニホールド８は、金属製の中空の直方体である。一方のガスマニホールド８の側面に、４つの電気化学素子Ｑが接続され、電気化学素子Ｑの他方の端に他方のガスマニホールド８が接続されている。ガスマニホールド８と電気化学素子Ｑとの接続は、ガスマニホールド８の内部の空間と、金属支持体１の筒の内部の空間とが連通する形態で行われる。また、金属支持体１とガスマニホールド８（の側面）との間に接合部位を形成している。
連結管９は、金属製の両端が開放された円筒である。連結管９は、ガスマニホールド８の上面に溶接により接続されている。連結管９とガスマニホールド８との接続は、連結管９の内部の空間と、ガスマニホールド８の内部の空間とが連通する形態で行われる。また、連結管９とガスマニホールド８との接合は、溶接により行われる。
セルユニットＵを以上の様に構成することで、一方のガスマニホールド８の連結管９に供給された気体が、ガスマニホールド８の内部の空間を通って、金属支持体１の筒の内部に供給され、気体通流許容領域Ｐを通って電極層Ａに供給され、電気化学反応部Ｒでの反応に用いられる。残余の気体は、金属支持体１の筒の内部から、他方のガスマニホールド８の内部へ流入し、連結管９から流出する。
ガスマニホールド８および連結管９の材料としては、上述の金属支持体１と同様のものを用いることができる。またガスマニホールド８および連結管９の表面に、金属支持体１と同様の拡散防止膜を形成すると、Ｃｒ飛散を抑制することができ好適である。
なお、ガスマニホールド８および連結管９は、セルユニットＵおよび後述する電気化学モジュールＭを構成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みのものを用いることができる。また、ガスマニホールド８および連結管９には、焼結金属や発泡金属等を用いることもできるが、この場合は気体が透過しないように表面コーティングなどの処理を施せばよい。
＜有突起集電板＞
有突起集電板３は、金属製の長方形の板である。本実施形態では、図６に示す様に、複数の凸凹構造部位３ａが、有突起集電板３の板の面から上下方向に突出して形成されている。凹凸構造部位３ａは、頂点がなだらかな円錐形状である。図６に示される有突起集電板３の断面から分かるとおり、上方向に突出する凹凸構造部位３ａと下方向に突出する凹凸構造部位３ａとが隣接して形成されている。
有突起集電板３は、金属製の長方形の板である。本実施形態では、図６に示す様に、複数の凸凹構造部位３ａが、有突起集電板３の板の面から上下方向に突出して形成されている。凹凸構造部位３ａは、頂点がなだらかな円錐形状である。図６に示される有突起集電板３の断面から分かるとおり、上方向に突出する凹凸構造部位３ａと下方向に突出する凹凸構造部位３ａとが隣接して形成されている。
有突起集電板３は、図４および図５に示される様に、４つの電気化学素子Ｑと平行な状態で、電気化学素子Ｑの下側に配置される。有突起集電板３は、４つの接続部材３ｃにより、一対のガスマニホールド８に固定される。有突起集電板３と接続部材３ｃとの間、および接続部材３ｃとガスマニホールド８との間は、溶接により接続される。
有突起集電板３の材料としては、上述の金属支持体１と同様のものを用いることができる。また有突起集電板３の表面に、金属支持体１と同様の拡散防止膜を形成すると、Ｃｒ飛散を抑制することができ好適である。以上の様に構成される有突起集電板３は、プレス成形により低コストで製造することが可能である。
また有突起集電板３は、セルユニットＵおよび後述する電気化学モジュールＭを構成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みのものを用いることができる。また、有突起集電板３には、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
図５に示す通り、セルユニットＵは複数積層されて電気化学モジュールＭを形成する。その際に有突起集電板３は、他のセルユニットＵの対極電極層Ｃに接続される。詳しくは、有突起集電板３の凹凸構造部位３ａの頂点が、下側に位置するセルユニットＵの対極電極層Ｃに対して接合される。これにより、一方のセルユニットＵの電極層Ａと、他方のセルユニットＵの対極電極層Ｃとが、電気的に接続される。
＜電気化学モジュール＞
続いて、本実施形態に係る電気化学モジュールＭについて図４および図５に基づいて説明する。電気化学モジュールＭは、上述のセルユニットＵが複数積層した状態で配置されて構成される。
続いて、本実施形態に係る電気化学モジュールＭについて図４および図５に基づいて説明する。電気化学モジュールＭは、上述のセルユニットＵが複数積層した状態で配置されて構成される。
詳しくは電気化学モジュールＭは、上述のセルユニットＵを、ガスケット６を挟んで複数積層して構成される。ガスケット６は、一方のセルユニットＵの連結管９と、他方のセルユニットＵの連結管９との間に配置される。そしてガスケット６は、一方のセルユニットＵの金属支持体１、ガスマニホールド８、連結管９および有突起集電板３と、他方のセルユニットＵの金属支持体１、ガスマニホールド８、連結管９および有突起集電板３との間を、電気的に絶縁する。ガスケット６は、併せて、連結管９を通流する気体が漏出したり混合したりしないよう、セルユニットＵの接続部位（連結管９の接続部位）を気密に保つ。ガスケット６は、以上の電気的絶縁および気密保持が可能なように、例えばバーミキュライトや雲母、アルミナ等を材料として形成される。
そして上述の通り、有突起集電板３が、一方のセルユニットＵの金属支持体１と、対極電極層Ｃとを電気的に接続している。そうすると、一方のセルユニットＵの電極層Ａと、他方のセルユニットＵの対極電極層Ｃとが、金属支持体１および有突起集電板３を介して電気的に接続されることになる。したがって本実施形態に係るセルユニットＵでは、各セルユニットＵの電気化学反応部Ｒが、電気的に直列に接続される。
また一のセルユニットＵにおいては、４つの電気化学素子Ｑの金属支持体１は、ガスマニホールド８により互いに電気的に接続されている。また４つの電気化学素子Ｑの対極電極層Ｃは、他のセルユニットＵの有突起集電板３により互いに電気的に接続されている。従って、一のセルユニットＵにおいては、各セルユニットＵの電気化学反応部Ｒが、電気的に並列に接続される。
電気化学モジュールＭにおける気体の通流について図４および図５に基づいて説明する。説明は、電気化学反応部Ｒを燃料電池として動作させる場合を例として行う。
一方のガスマニホールド８の連結管９に、水素ガスＨが供給される。そうすると水素ガスＨは、ガスマニホールド８の内部を通って金属支持体１の内部に流れ込み、気体通流許容領域Ｐに供給される。そして水素ガスＨは気体通流許容領域Ｐの貫通孔１ａを通流して、電極層Ａに供給される。残余のガスは、反応排ガスＪとして金属支持体１の内部から他方のガスマニホールド８の内部へ流入し、連結管９から排出される。
酸素ガスＫは、一方のガスマニホールド８の側から、金属支持体１の中心軸と平行に供給される。そうすると酸素ガスＫは、上下に積層されたガスマニホールド８の隙間、および連結管９の間を通って、電気化学素子Ｑの周囲に流入し、対極電極層Ｃに接触する。もって対極電極層Ｃに酸素が供給される。残余のガスは、他方のガスマニホールド８の側から流出する。このとき、電気化学素子Ｑの有突起集電板３に覆われた部位にも、凹凸構造部位３ａの間を通って酸素ガスＫが流れて、対極電極層Ｃに酸素ガスＫが接触する。
〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る電気化学素子について図７および図８に基づいて説明する。本実施形態に係る電気化学素子Ｑでは、金属支持体１の全体が金属製のメッシュにより形成され、気体の通流が可能となっている。つまり筒形状の金属支持体１の全体が、気体通流許容領域Ｐとなっている。
第２実施形態に係る電気化学素子について図７および図８に基づいて説明する。本実施形態に係る電気化学素子Ｑでは、金属支持体１の全体が金属製のメッシュにより形成され、気体の通流が可能となっている。つまり筒形状の金属支持体１の全体が、気体通流許容領域Ｐとなっている。
そして電極層Ａが、金属支持体１の外側１ｅの全体を覆って設けられている。電解質層Ｂが、電極層Ａの全体を覆って設けられている。すなわち、電極層Ａおよび電解質層Ｂが、気体通流許容領域Ｐの全体を覆って設けられている。
本実施形態に係る電気化学素子Ｑを上述のセルユニットＵに適用するにあたっては、金属支持体１の両端をガスマニホールド８に溶接で接合した上で、電解質層Ｂとガスマニホールド８の間をガラスシール材等によって封止する。これにより、金属支持体１の筒形状の内部を流れる気体が外部に漏れ出すことを抑制し、すなわちガスシール性を高め、性能を高めることができる。
〔第３実施形態〕
上述の実施形態では、ある電気化学素子を構成する金属支持体１は、有突起集電板を介して他の電気化学素子の対極電極層に接続されている。電気化学素子間の接続としては、図９に示すように、ある電気化学素子の金属支持体の、電気化学反応部が形成されていない表面が、別の電気化学素子の対極電極層に、有突起集電板を介さずに電気的な接続がなされていてもよい。この場合、金属支持体と対極電極層の間は直接接していてもよいし、導電性セラミックスや金属等の導電性部材を介して電気的に接続されていてもよい。
上述の実施形態では、ある電気化学素子を構成する金属支持体１は、有突起集電板を介して他の電気化学素子の対極電極層に接続されている。電気化学素子間の接続としては、図９に示すように、ある電気化学素子の金属支持体の、電気化学反応部が形成されていない表面が、別の電気化学素子の対極電極層に、有突起集電板を介さずに電気的な接続がなされていてもよい。この場合、金属支持体と対極電極層の間は直接接していてもよいし、導電性セラミックスや金属等の導電性部材を介して電気的に接続されていてもよい。
〔第４実施形態〕
上述の実施形態では、一つの金属支持体上に一つの電気化学反応部を形成したが、電気化学反応部は複数形成されていてもよい。この場合、一の電気化学反応部を形成する電極層と、他の電気化学反応部を形成する対極電極層とが、後述の電子伝導層を介して電気的に接続されることで、いわゆる横縞型ＳＯＦＣとして使用可能である。
この際、金属支持体の表面に絶縁被膜を形成してもよい。金属支持体の表面に絶縁被膜を形成して、電極層との間を絶縁できる構成とすると、セル間の電子リークを抑え、高性能な電気化学素子となる。なお、絶縁被膜は、金属支持体の表面に、絶縁性の高いシリカやアルミナなどを含む金属酸化物被膜をスパッタリング法やＰＬＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。また、金属支持体１の材料として、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が１重量％〜５重量％程度含有されている金属材料を用い、焼成処理によって、その表面にシリカやアルミナを含む絶縁被膜を形成することもできる。
なお、絶縁被膜の抵抗値としては、１ｋΩ・ｃｍ2程度以上あればよく、１０ｋΩ・ｃｍ2程度以上あれば、電気化学素子を燃料電池として動作させた場合でも十分な起電力と電流量を確保でき好適である。
上述の実施形態では、一つの金属支持体上に一つの電気化学反応部を形成したが、電気化学反応部は複数形成されていてもよい。この場合、一の電気化学反応部を形成する電極層と、他の電気化学反応部を形成する対極電極層とが、後述の電子伝導層を介して電気的に接続されることで、いわゆる横縞型ＳＯＦＣとして使用可能である。
この際、金属支持体の表面に絶縁被膜を形成してもよい。金属支持体の表面に絶縁被膜を形成して、電極層との間を絶縁できる構成とすると、セル間の電子リークを抑え、高性能な電気化学素子となる。なお、絶縁被膜は、金属支持体の表面に、絶縁性の高いシリカやアルミナなどを含む金属酸化物被膜をスパッタリング法やＰＬＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。また、金属支持体１の材料として、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が１重量％〜５重量％程度含有されている金属材料を用い、焼成処理によって、その表面にシリカやアルミナを含む絶縁被膜を形成することもできる。
なお、絶縁被膜の抵抗値としては、１ｋΩ・ｃｍ2程度以上あればよく、１０ｋΩ・ｃｍ2程度以上あれば、電気化学素子を燃料電池として動作させた場合でも十分な起電力と電流量を確保でき好適である。
＜電子伝導層＞
電子伝導層は、例えば、ＬａＣｒＯ3（ランタンクロマイト）やＳｒＴｉＯ3（ストロンチウムチタネイト）等の導電性を有する金属酸化物により構成することができる。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電子伝導層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電子伝導層性能を確保することが可能となる。
電子伝導層は、例えば、ＬａＣｒＯ3（ランタンクロマイト）やＳｒＴｉＯ3（ストロンチウムチタネイト）等の導電性を有する金属酸化物により構成することができる。その膜厚は、例えば、１μｍ〜１００μｍ程度、好ましくは２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは５μｍ〜２０μｍ程度とすることができる。このような膜厚にすることで、高価な電子伝導層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電子伝導層性能を確保することが可能となる。
〔第５実施形態〕
上述の実施形態では、一方のセルユニットＵの連結管９と、他方のセルユニットＵの連結管９との間にガスケット６を挟むことで、一方のセルユニットＵの金属支持体１、ガスマニホールド８、連結管９および有突起集電板３と、他方のセルユニットＵの金属支持体１、ガスマニホールド８、連結管９および有突起集電板３との間を、電気的に絶縁している。セルユニットＵを構成するガスマニホールド８と、同一のセルユニットＵを構成する金属支持体１との間を電気的に絶縁してもよい。ガスマニホールド８と金属支持体１との間は、上記のように絶縁性のガスケットを介して接続させることで電気的に絶縁してもよいし、ガスマニホールド８または金属支持体１の表面の少なくとも一部に絶縁被膜を形成することで電気的に絶縁してもよい。なお、絶縁被膜は、ガスマニホールド８または金属支持体１の表面に、絶縁性の高いシリカやアルミナなどを含む金属酸化物被膜をスパッタリング法やＰＬＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。また、ガスマニホールド８または金属支持体１の材料として、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が１重量％〜５重量％程度含有されている金属材料を用い、焼成処理によって、その表面にシリカやアルミナを含む絶縁被膜を形成することもできる。
上述の実施形態では、一方のセルユニットＵの連結管９と、他方のセルユニットＵの連結管９との間にガスケット６を挟むことで、一方のセルユニットＵの金属支持体１、ガスマニホールド８、連結管９および有突起集電板３と、他方のセルユニットＵの金属支持体１、ガスマニホールド８、連結管９および有突起集電板３との間を、電気的に絶縁している。セルユニットＵを構成するガスマニホールド８と、同一のセルユニットＵを構成する金属支持体１との間を電気的に絶縁してもよい。ガスマニホールド８と金属支持体１との間は、上記のように絶縁性のガスケットを介して接続させることで電気的に絶縁してもよいし、ガスマニホールド８または金属支持体１の表面の少なくとも一部に絶縁被膜を形成することで電気的に絶縁してもよい。なお、絶縁被膜は、ガスマニホールド８または金属支持体１の表面に、絶縁性の高いシリカやアルミナなどを含む金属酸化物被膜をスパッタリング法やＰＬＤ法、ＣＶＤ法、スプレーコーティング法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。また、ガスマニホールド８または金属支持体１の材料として、ＳｉとＡｌのうち少なくとも一方が１重量％〜５重量％程度含有されている金属材料を用い、焼成処理によって、その表面にシリカやアルミナを含む絶縁被膜を形成することもできる。
〔第６実施形態〕
＜有突起集電板＞
上述の実施形態では有突起集電板３は、頂点がなだらかな円錐形状である凹凸構造部位３ａを有していた。有突起集電板３としては、図１０に示す形状も可能である。図１０に示す第３実施形態に係る有突起集電板３は、長辺に平行に延びる直線に沿って交互に山折り・谷折りされた形状を有している。すなわち、山の部位、谷の部位が凹凸構造部位３ａに該当する。そして本実施形態に係る有突起集電板３を上述のセルユニットＵに適用する場合には、山の部位の稜線と、電気化学素子Ｑの金属支持体１の中心軸とが平行になるよう配置すると、有突起集電板３と対極電極層Ｃとの接続部位を大きくすることができ好適である。なおこのような形状の有突起集電板３は、第１実施形態と同様にプレス成形により低コストで製造することが可能である。
＜有突起集電板＞
上述の実施形態では有突起集電板３は、頂点がなだらかな円錐形状である凹凸構造部位３ａを有していた。有突起集電板３としては、図１０に示す形状も可能である。図１０に示す第３実施形態に係る有突起集電板３は、長辺に平行に延びる直線に沿って交互に山折り・谷折りされた形状を有している。すなわち、山の部位、谷の部位が凹凸構造部位３ａに該当する。そして本実施形態に係る有突起集電板３を上述のセルユニットＵに適用する場合には、山の部位の稜線と、電気化学素子Ｑの金属支持体１の中心軸とが平行になるよう配置すると、有突起集電板３と対極電極層Ｃとの接続部位を大きくすることができ好適である。なおこのような形状の有突起集電板３は、第１実施形態と同様にプレス成形により低コストで製造することが可能である。
＜第７実施形態＞
以上説明した電気化学素子Ｑおよび電気化学モジュールＭを用いて、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺを構築することができる。
以上説明した電気化学素子Ｑおよび電気化学モジュールＭを用いて、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺを構築することができる。
＜エネルギーシステム、電気化学装置＞
図１１には、エネルギーシステムＺおよび電気化学装置Ｙの概要が示されている。
エネルギーシステムＺは、電気化学装置Ｙと、電気化学装置Ｙ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５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、脱硫器３１と改質器３４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３８とを有する。
図１１には、エネルギーシステムＺおよび電気化学装置Ｙの概要が示されている。
エネルギーシステムＺは、電気化学装置Ｙと、電気化学装置Ｙ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５３とを有する。
電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、脱硫器３１と改質器３４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３８とを有する。
詳しくは電気化学装置Ｙは、脱硫器３１、改質水タンク３２、気化器３３、改質器３４、ブロア３５、インバータ３８、制御部３９および電気化学モジュールＭを有する。
脱硫器３１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３１を備えることにより、硫黄化合物による改質器３４あるいは電気化学素子Ｑに対する悪影響を抑制することができる。気化器３３は、改質水タンク３２から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器３４は、気化器３３にて生成された水蒸気を用いて脱硫器３１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。
電気化学モジュールＭは、改質器３４から供給された改質ガスと、ブロア３５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。
電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｑを有する。複数の電気化学素子Ｑは互いに電気的に接続された状態で複数積層して配置される。電気化学素子Ｑは、改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
インバータ３８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３９は電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺの運転を制御する。
原燃料は、昇圧ポンプ４１の作動により原燃料供給路４２を通して脱硫器３１に供給される。改質水タンク３２の改質水は、改質水ポンプ４３の作動により改質水供給路４４を通して気化器３３に供給される。そして、原燃料供給路４２は脱硫器３１よりも下流側の部位で、改質水供給路４４に合流されており、合流された改質水と原燃料とが気化器３３に供給される。
改質水は気化器３３にて気化され水蒸気となる。気化器３３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４５を通して改質器３４に供給される。改質器３４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３４にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路４６を通して電気化学モジュールＭに供給される。
電気化学モジュールＭに供給された改質ガスは、複数積層された電気化学素子Ｑ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Ｑ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Ｑから排ガス排出路５２により熱交換器５３に送られる。
熱交換器５３は、電気化学モジュールＭからの反応排ガスと、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５３は、電気化学装置Ｙ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。
なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールＭから排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。反応排ガスには、電気化学素子Ｑにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。
＜他の実施形態＞
（１）上述の実施形態では、電気化学素子Ｑを固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解セルに用いたが、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
（１）上述の実施形態では、電気化学素子Ｑを固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解セルに用いたが、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
（２）上述の実施形態では、金属支持体１と電解質層Ｂとの間に電極層Ａを配置し、電解質層Ｂからみて金属支持体１と反対側に対極電極層Ｃを配置した。電極層Ａと対極電極層Ｃとを逆に配置する構成も可能である。つまり、金属支持体１と電解質層Ｂとの間に対極電極層Ｃを配置し、電解質層Ｂからみて金属支持体１と反対側に電極層Ａを配置する構成も可能である。この場合、電気化学素子Ｑへの気体の供給についても変更する必要がある。例えば電気化学素子Ｑを燃料電池として動作させる場合、金属支持体１の気体通流許容領域Ｐを通じて対極電極層Ｃに酸素を供給し、電極層Ａに水素を供給する。
（３）上述の第１実施形態と第２実施形態では、電気化学素子Ｑを固体酸化物形燃料電池として用いる場合の例として、アノードガスに水素ガスを、カソードガスに酸素ガスを用いる例を示したが、アノードガスに炭化水素原燃料を改質した改質ガスのような水素を主成分とするガスを用い、カソードガスに空気などの酸素を含むガスを用いることもできる。
なお上述の実施形態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。
１ ：金属支持体
１ａ ：貫通孔
１ｅ ：外側
１ｆ ：内側
３ ：有突起集電板
３ａ ：凹凸構造部位
８ ：ガスマニホールド
３４ ：改質器
３８ ：インバータ
Ａ ：電極層
Ｂ ：電解質層
Ｃ ：対極電極層
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｐ ：気体通流許容領域
Ｑ ：電気化学素子
Ｒ ：電気化学反応部
Ｕ ：セルユニット
Ｙ ：電気化学装置
Ｚ ：エネルギーシステム
１ａ ：貫通孔
１ｅ ：外側
１ｆ ：内側
３ ：有突起集電板
３ａ ：凹凸構造部位
８ ：ガスマニホールド
３４ ：改質器
３８ ：インバータ
Ａ ：電極層
Ｂ ：電解質層
Ｃ ：対極電極層
Ｍ ：電気化学モジュール
Ｐ ：気体通流許容領域
Ｑ ：電気化学素子
Ｒ ：電気化学反応部
Ｕ ：セルユニット
Ｙ ：電気化学装置
Ｚ ：エネルギーシステム
Claims (13)
- 金属支持体と電気化学反応部とを有し、
前記金属支持体が筒形状であり、前記電気化学反応部は、電極層と、電解質層と、対極電極層とを少なくとも有し、前記金属支持体の表面に配置されており、
前記電解質層は、前記電極層と前記対極電極層との間に配置されている電気化学素子と、
有突起集電板とを有するセルユニットを、複数有し、前記セルユニットの前記電気化学素子が互いに電気的に接続されており、
前記金属支持体の筒の内部に気体を供給する金属製のガスマニホールドを有し、前記金属支持体と前記ガスマニホールドとの間に接合部位が形成されている電気化学モジュールであって、
前記有突起集電板は、金属製の板であって、凹部または凸部が１つ以上含まれる凹凸構造部位を有し、
複数のセルユニットが積層される際に、前記有突起集電板が、接続部材により前記ガスマニホールドに接続された状態で、一方のセルユニットの金属支持体と、もう一方のセルユニットの対極電極層とを電気的に接続する電気化学モジュール。 - 前記有突起集電板が拡散防止膜を有する請求項１に記載の電気化学モジュール。
- 前記凹凸構造部位が前記もう一方のセルユニットの対極電極層に接続される請求項１または２に記載の電気化学モジュール。
- 前記電気化学反応部が、前記金属支持体の外側の面に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
- 前記電極層、前記電解質層、前記対極電極層が、それぞれ薄層として形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
- 前記金属支持体が、外側と内側との間での気体の流通を許容する気体流通許容領域を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
- 前記気体流通許容領域の外側の面または内側の面が、気密層によって覆われている請求項６に記載の電気化学モジュール。
- 前記気密層が、少なくとも前記電解質層を含む請求項７に記載の電気化学モジュール。
- 前記気密層が、少なくとも前記電解質層と電子伝導層とを含む請求項７または８に記載の電気化学モジュール。
- 前記電極層が、気体透過性を有する多孔質である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気化学モジュール。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気化学モジュールと、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を供給する燃料供給部とを少なくとも有し、前記電気化学モジュールから電力を取り出すことを特徴とする電気化学装置。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気化学モジュールと改質器を少なくとも有し、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電気化学装置。
- 請求項１１または１２に記載の電気化学装置と、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エネルギーシステム。
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