JP7140882B1 - electrolytic cell - Google Patents
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- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
【課題】電解セルのクラックを抑制する。【解決手段】電解セル10は、多孔質の支持基板4と、水素極集電部61とを備えている。支持基板4は、凹部49及びガス流路43を有している。ガス流路43は、第1方向に延びている。水素極集電部61は、凹部49内に配置されている。水素極集電部61は、一対の第1側面611、及び一対の第2側面612を有している。第1側面611は、第1方向を向いている。第2側面612は、第1方向と交差する第2方向を向いている。一対の第1側面611の間隔d1は、ガス流路43に近付くにつれて小さくなる。【選択図】図6An object of the present invention is to suppress cracks in an electrolytic cell. An electrolytic cell (10) includes a porous support substrate (4) and a hydrogen electrode collector (61). The support substrate 4 has recesses 49 and gas flow paths 43 . The gas channel 43 extends in the first direction. The hydrogen electrode collector 61 is arranged in the recess 49 . The hydrogen electrode collector 61 has a pair of first side surfaces 611 and a pair of second side surfaces 612 . The first side surface 611 faces the first direction. The second side surface 612 faces in a second direction that intersects with the first direction. The distance d1 between the pair of first side surfaces 611 becomes smaller as the gas flow path 43 is approached. [Selection drawing] Fig. 6
Description
本発明は、電解セルに関するものである。 The present invention relates to electrolytic cells.
セラミックス製の電極および電解質からなる電解セルを用いて、H2OとCO2との混合ガス、及び水蒸気(H2O)を電解することで、H2とCOとの混合ガスH2およびを合成する技術が知られている。例えば、特許文献1に記載された電解セルは、素子部と、素子部を支持する支持基板とを有している。
A mixed gas of H 2 O and CO 2 and water vapor (H 2 O) are electrolyzed using an electrolytic cell composed of ceramic electrodes and an electrolyte to produce a mixed gas H 2 of H 2 and CO. Synthetic techniques are known. For example, the electrolytic cell described in
水蒸気(H2O)電解反応、およびH2OとCO2との共電解反応は吸熱反応であるため、反応の進行に伴い吸熱が生じて反応場付近の温度が低下する。反応は主に水素極活性部で進行するが、大きな吸熱が生じた場合には隣接する水素極集電部の温度も低下する。支持基板に凹部を形成し、その凹部内に水素極集電部を配置すると、水素極集電部の温度が低下した場合に水素極集電部が収縮して、水素極集電部の角部付近の界面に応力が発生し、クラックが発生するおそれがある。 Since the water vapor (H 2 O) electrolysis reaction and the co-electrolysis reaction between H 2 O and CO 2 are endothermic reactions, heat is generated as the reaction progresses, and the temperature near the reaction field decreases. The reaction proceeds mainly in the active portion of the hydrogen electrode, but when a large amount of heat is absorbed, the temperature of the adjacent current collecting portion of the hydrogen electrode also decreases. If a concave portion is formed in the support substrate and the hydrogen electrode current collecting portion is arranged in the concave portion, the hydrogen electrode current collecting portion shrinks when the temperature of the hydrogen electrode current collecting portion decreases, and the corner of the hydrogen electrode current collecting portion shrinks. Stress is generated at the interface near the part, and cracks may occur.
本発明の課題は、電解セルのクラックを抑制することにある。 An object of the present invention is to suppress cracks in electrolytic cells.
本発明のある側面に係る電解セルは、多孔質の支持基板と、水素極集電部とを備えている。支持基板は、凹部及びガス流路、を有している。ガス流路は、第1方向に延びている。水素極集電部は、凹部内に配置されている。水素極集電部は、一対の第1側面、及び一対の第2側面を有している。第1側面は、第1方向を向いている。第2側面は、第1方向と交差する第2方向を向いている。一対の第1側面の間隔は、ガス流路に近付くにつれて小さくなる。 An electrolytic cell according to one aspect of the present invention includes a porous support substrate and a hydrogen electrode collector. The support substrate has recesses and gas channels. The gas flow path extends in the first direction. The hydrogen electrode current collector is arranged in the recess. The hydrogen electrode collector has a pair of first side surfaces and a pair of second side surfaces. The first side face faces the first direction. The second side faces a second direction that intersects with the first direction. The distance between the pair of first side surfaces becomes smaller as the gas flow path is approached.
この構成によれば、一対の第1側面の間隔は、ガス流路に近付くにつれて小さくなっている。このため、水素極集電部の角部付近における水素極集電部と支持基板との界面から、電解反応が起こる場所までの距離をより近くすることができる。この結果、電解反応によって水素極集電部が収縮することによって生じる上記角部付近の界面での発生応力が小さくなり、電解セルのクラックを抑制することができる。 According to this configuration, the distance between the pair of first side surfaces becomes smaller as it approaches the gas flow path. Therefore, the distance from the interface between the hydrogen electrode current collector and the support substrate in the vicinity of the corner of the hydrogen electrode current collector to the place where the electrolytic reaction occurs can be made closer. As a result, the stress generated at the interface near the corners caused by the contraction of the hydrogen electrode current collector due to the electrolytic reaction is reduced, and cracks in the electrolytic cell can be suppressed.
好ましくは、一対の第1側面は、第2方向と直交する第1切断面において、円弧状である。この構成によれば、局所的な応力集中を緩和し、さらにクラック発生を抑制することができる。 Preferably, the pair of first side surfaces are arcuate on a first cross section perpendicular to the second direction. According to this configuration, it is possible to alleviate local stress concentration and further suppress the occurrence of cracks.
好ましくは、一対の第1側面は、曲面である。 Preferably, the pair of first side surfaces are curved surfaces.
好ましくは、一対の第1側面は、ガス流路を向くように傾斜している。 Preferably, the pair of first side surfaces are slanted to face the gas flow path.
好ましくは、一対の第2側面の間隔は、一定である。この構成によれば、第2切断面において水素極集電部の厚さが実質的に等しくなる。このため、第1方向に流れる電流の大きさは、第2切断面における水素極集電部内において均一化される。その結果、水素極集電部内での抵抗ロスを抑制できる。また、電流集中による水素極集電部構成材料の微構造変化を抑制でき、その結果、導電率低下を抑制できる。 Preferably, the spacing between the pair of second side surfaces is constant. According to this configuration, the thickness of the hydrogen electrode current collecting portion becomes substantially equal on the second cut surface. Therefore, the magnitude of the current flowing in the first direction is made uniform within the hydrogen electrode current collecting portion on the second cross section. As a result, the resistance loss in the hydrogen electrode current collector can be suppressed. In addition, it is possible to suppress microstructural changes in the material constituting the hydrogen electrode current collector due to current concentration, and as a result, it is possible to suppress a decrease in electrical conductivity.
好ましくは、一対の第2側面は、第1方向と直交する第2切断面において、直線状である。 Preferably, the pair of second side surfaces are linear on the second cross section perpendicular to the first direction.
好ましくは、一対の第2側面は、平面である。 Preferably, the pair of second side surfaces are flat.
好ましくは、支持基板は、複数の凹部と、桟部を有する。複数の凹部は、第1方向に沿って間隔をあけて配置される。桟部は、凹部間に配置される。桟部は、先端部及び基端部を有する。先端部は、第1方向における寸法が、基端部よりも小さい。 Preferably, the support substrate has a plurality of recesses and crosspieces. The plurality of recesses are spaced apart along the first direction. The struts are arranged between the recesses. The crosspiece has a distal end and a proximal end. The distal portion has a smaller dimension in the first direction than the proximal portion.
本発明によれば、電解セルのクラックを抑制することができる。 According to the present invention, cracks in the electrolytic cell can be suppressed.
以下、本実施形態に係る電解セルについて図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、電解セルの一例として固体酸化物形電解セル(SOEC)を用いて説明する。図1はセルスタック装置を示す斜視図、図2はマニホールドの断面図である。なお、図1及び図2において、いくつかの電解セルの記載を省略している。 Hereinafter, an electrolytic cell according to this embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, this embodiment demonstrates using a solid oxide electrolysis cell (SOEC) as an example of an electrolysis cell. FIG. 1 is a perspective view showing a cell stack device, and FIG. 2 is a sectional view of a manifold. 1 and 2, description of some electrolytic cells is omitted.
[セルスタック装置]
図1に示すように、セルスタック装置100は、マニホールド2と、複数の電解セル10と、を備えている。
[Cell stack device]
As shown in FIG. 1 , the
[マニホールド]
図2に示すように、マニホールド2は、複数の電解セル10のそれぞれにガスを分配するように構成されている。また、マニホールド2は、電解セル10によって生成されたガスを回収するように構成されている。マニホールド2は、ガス供給室21とガス回収室22とを有している。ガス供給室21には、H2O及びCO2などが供給される。ガス回収室22は、各電解セル10にて生成されたH2及びCOなどを回収する。
[Manifold]
As shown in FIG. 2,
マニホールド2は、マニホールド本体部23と、仕切板24とを有している。マニホールド本体部23は、内部に空間を有している。マニホールド本体部23は、直方体状である。
The
図3に示すように、マニホールド本体部23の天板部231には、複数の貫通孔232が形成されている。各貫通孔232は、マニホールド本体部23の長手方向(z軸方向)に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔232は、マニホールド本体部23の幅方向(y軸方向)に延びている。各貫通孔232は、ガス供給室21及びガス回収室22と連通している。なお、各貫通孔232は、ガス供給室21と連通する部分とガス回収室22と連通する部分とに分かれていてもよい。
As shown in FIG. 3 , a plurality of through
仕切板24は、マニホールド本体部23の空間をガス供給室21とガス回収室22とに気密に仕切っている。詳細には、仕切板24は、マニホールド本体部23の略中央部において、マニホールド本体部23の長手方向に延びている。
The
図2に示すように、ガス供給室21の底面には、ガス供給口211が形成されている。また、ガス回収室22の底面には、ガス排出口221が形成されている。ガス供給口211は、例えば、電解セル10の配列方向(z軸方向)において、マニホールド2の中心Cよりも第1端部201側に配置されている。一方、ガス排出口221は、例えば、電解セル10の配列方向(z軸方向)において、マニホールド2の中心Cよりも第2端部202側に配置されている。
As shown in FIG. 2, a
[電解セル]
図4は、セルスタック装置の断面図を示している。図4に示すように、電解セル10は、マニホールド2から上方に延びている。電解セル10は、基端部101及び先端部102を有している。電解セル10は、基端部101がマニホールド2に取り付けられている。すなわち、マニホールド2は、各電解セル10の基端部101を支持している。本実施形態では、電解セル10の基端部101は下端部を意味し、電解セル10の先端部102は上端部を意味する。
[Electrolytic cell]
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the cell stack device. As shown in FIG. 4,
図1に示すように、各電解セル10は、主面同士が対向するように並べられている。また、各電解セル10は、マニホールド2の長手方向(z軸方向)に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、電解セル10の配列方向は、マニホールド2の長手方向に沿っている。
As shown in FIG. 1, each
図4及び図5に示すように、電解セル10は、支持基板4と、複数の素子部5と、を有している。また、電解セル10は、連通部材3をさらに有している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
[支持基板]
支持基板4は、マニホールド2から上方に延びている。支持基板4は、板状である。詳細には、支持基板4は、正面視(z軸方向視)が長方形状である。支持基板4は、長手方向(x軸方向)と幅方向(y軸方向)とを有している。なお、支持基板4は、長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い。本実施形態では、図4の上下方向(x軸方向)が支持基板4の長手方向であり、図4の左右方向が(y軸方向)が支持基板4の幅方向である。
[Supporting substrate]
A
支持基板4は、基端部41と先端部42とを有している。基端部41及び先端部42は、支持基板4の長手方向(x軸方向)における両端部である。本実施形態では、支持基板4の基端部41は下端部を意味し、支持基板4の先端部42は上端部を意味する。
The
支持基板4の基端部41は、マニホールド2に取り付けられる。例えば、支持基板4の基端部41は、接合材などによってマニホールド2の天板部231に取り付けられる。詳細には、支持基板4の基端部41は、天板部231に形成された貫通孔232に挿入されている。なお、支持基板4の基端部41は、貫通孔232に挿入されていなくてもよい。すなわち、支持基板4の第1端面411によって貫通孔232を覆うように、支持基板4が天板部231上に載置されていてもよい。
A
支持基板4は、複数の第1ガス流路43と、複数の第2ガス流路44とを有している。第1及び第2ガス流路43、44は、支持基板4内を延びている。なお、以下の説明において、第1及び第2ガス流路43,44が延びる方向を第1方向と称する。本実施形態では、第1及び第2ガス流路43,44は、支持基板4の長手方向に延びている。また、第1方向と交差する方向を第2方向と称する。なお、本実施形態では、第2方向は第1方向と直交している。第2方向は、支持基板4の幅方向(y軸方向)に沿って延びている。
The
第1及び第2ガス流路43、44は、支持基板4を貫通している。各第1ガス流路43は、支持基板4の幅方向において互いに間隔をあけて配置されている。また、各第2ガス流路44も、支持基板4の幅方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、第1ガス流路43と第2ガス流路44との間隔は、第1ガス流路43同士の間隔よりも大きく、第2ガス流路44同士の間隔よりも大きいことが好ましい。
The first and second
第1及び第2ガス流路43、44は、電解セル10の基端部101から先端部102に向かって延びている。第1ガス流路43はガス供給室21と連通している。第1ガス流路43には、ガス供給室21からH2O及びCO2などが供給される。第2ガス流路44はガス回収室22と連通している。第2ガス流路44は、電解セル10によって生成されたH2及びCOなどをガス回収室22に排出する。
The first and second
第1ガス流路43と第2ガス流路44とは、電解セル10の先端部102側において互いに連通している。詳細には、第1ガス流路43と、第2ガス流路44とが、後述する連通部材3の連通流路30を介して連通している。
The first
図5に示すように、支持基板4は、第1主面45と、第2主面46とを有している。第1主面45と第2主面46とは、互いに反対を向いている。第1主面45及び第2主面46は、各素子部5を支持している。第1主面45及び第2主面46は、支持基板4の厚さ方向(z軸方向)を向いている。また、支持基板4の各側面47は、支持基板4の幅方向(y軸方向)を向いている。各側面47は、湾曲していてもよい。図1に示すように、各支持基板4は、第1主面45と第2主面46とが対向するように配置されている。
As shown in FIG. 5, the
支持基板4は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板4は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)、MgO(酸化マグネシウム)、MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)あるいはこれらの複合物などによって構成することができる。支持基板4の気孔率は、例えば、20~60%程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法により測定される。
The
支持基板4は、緻密層48によって覆われている。緻密層48は、第1ガス流路43及び第2ガス流路44から支持基板4内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層48は、支持基板4の表面のうち、素子部5が形成されていない部分を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層48は、後述する電解質7に使用される材料、又は結晶化ガラス等によって構成することができる。緻密層48は、支持基板4よりも緻密である。例えば、緻密層48の気孔率は、0~7%程度である。
The
図6は、第2方向と直交する面で電解セル10を切断した第1切断面を示している。なお、図6は、第1ガス流路43に沿って電解セル10を切断しているが、第2ガス流路44に沿って電解セル10を切断した断面図は、図6と実質的に同じである。
FIG. 6 shows a first cross section obtained by cutting the
図6に示すように、支持基板4は、複数の凹部49と、複数の桟部50とを有している。複数の凹部49は、第1方向において、互いに間隔をあけて配置されている。本実施形態では、複数の凹部49は、支持基板4の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。複数の凹部49のそれぞれは、支持基板4の幅方向に延びている。なお、複数の凹部49のそれぞれは、支持基板4の幅方向(y軸方向)の両端部には形成されていない。
As shown in FIG. 6 , the
桟部50は、一対の凹部49の間に配置される。すなわち、一対の凹部49の間の部分が桟部50となる。桟部50は、支持基板4の幅方向に延びている。第1方向において、凹部49と桟部50とが交互に配置される。
The
桟部50は、先端部501と基端部502とを有している。先端部501は、第1主面45側の端部である。基端部502は、第1ガス流路43側の端部である。先端部501は、第1方向における寸法が、基端部502よりも小さい。
The
[素子部]
図5に示すように、複数の素子部5が、支持基板4上に配置されている。なお、本実施形態では、複数の素子部5は、支持基板4の第1主面45及び第2主面46に支持されている。なお、第1主面45に形成される素子部5の数と第2主面46に形成される素子部5の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、素子部5は、支持基板4の第1主面45及び第2主面46のどちらか一方のみに支持されていてもよい。
[Element part]
As shown in FIG. 5, a plurality of
複数の素子部5は、第1方向に配列されている。本実施形態では、複数の素子部5は、支持基板4の長手方向に配列されている。すなわち、本実施形態に係る電解セル10は、いわゆる横縞型の電解セルである。なお、複数の素子部5は、インターコネクタ9によって、互いに直列に接続されている。
The plurality of
素子部5は、支持基板4の幅方向(y軸方向)に延びている。素子部5は、支持基板4の幅方向において第1部分51と第2部分52とに区画される。なお、第1部分51と第2部分52との厳密な境界はない。例えば、電解セル10をマニホールド2に取り付けた状態において、支持基板4の長手方向視(x軸方向視)において、ガス供給室21とガス回収室22との境界と重複する部分を、第1部分51と第2部分52との境界部とすることができる。
The
支持基板4の厚さ方向視(z軸方向視)において、第1ガス流路43は、素子部5の第1部分51と重複している。また、支持基板4の厚さ方向視(z軸方向視)において、第2ガス流路44は、素子部5の第2部分52と重複している。なお、複数の第1ガス流路43のうち、一部の第1ガス流路43が第1部分51と重複していなくてもよい。同様に、複数の第2ガス流路44のうち、一部の第2ガス流路44が第2部分52と重複していなくてもよい。
The first
図6に示すように、素子部5は、水素極6、電解質7、及び酸素極8を有している。支持基板4側から、水素極6、電解質7、酸素極8の順で配置されている。素子部5は、反応防止膜11をさらに有している。
As shown in FIG. 6 , the
[水素極]
水素極6は、下記(1)式に示す共電解の化学反応に従って、CO2及びH2Oから、H2、CO、及びO2-を生成する。
・水素極6:CO2+H2O+ 4e-→CO+H2+2O2-・・・(1)
[Hydrogen electrode]
The
・Hydrogen electrode 6: CO 2 +H 2 O+ 4e − →CO+H 2 +2O 2− (1)
水素極6は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。水素極6は、焼成体である。水素極6は、水素極集電部61と水素極活性部62とを有する。各水素極6は、支持基板4上に配置されている。各水素極6は、第1方向(x軸方向)において、互いに間隔をあけて配置されている。本実施形態では、各水素極6は、支持基板4の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。
The
[水素極集電部]
水素極集電部61は、凹部49内に配置されている。凹部49は、支持基板4に形成されている。詳細には、水素極集電部61は、凹部49を埋めており、凹部49と同様の形状を有する。
[Hydrogen electrode current collector]
The
図7は、第1方向と直交する面で電解セル10を切断した第2切断面を示している。なお、図7において、図解を容易にするため、支持基板4及び水素極集電部61以外の部材の記載を省略している。
FIG. 7 shows a second cut plane obtained by cutting the
図6及び図7に示すように、水素極集電部61は、一対の第1側面611、一対の第2側面612、第3主面613,及び底面614を有している。一対の第1側面611は、第1方向を向いており、一対の第2側面612は、第2方向を向いている。第3主面613及び底面614は、厚さ方向(z軸方向)を向いている。なお、底面614は、厚さ方向においてガス流路43,44側を向いている。
6 and 7, the
一対の第1側面611は、図6に示すような第1切断面において、円弧状である。第1切断面における第1側面611は、外側に膨らむような円弧状である。各第1側面611は、この円弧を第2方向(y軸方向)に平行移動させてできる曲面によって構成されている。
The pair of first side surfaces 611 are arcuate in the first cross section as shown in FIG. A
第1側面611と底面614とは、滑らかに連結されている。なお、第1側面611は、第1方向を向くとともに、第1及び第2ガス流路43,44を向くように傾斜している。このように、第1側面611が円弧状であるため、第1側面611と底面614との間における水素極集電部61の角部は、水素極活性部62までの距離が小さくなっている。このためこの角部付近における水素極集電部61と支持基板4との界面での発生応力が小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。
The
一対の第1側面611の間隔d1は、第1及び第2ガス流路43、44に近付くにつれて小さくなっている。すなわち、水素極集電部61の第1方向における寸法d1は、厚さ方向において変化する。この一対の第1側面611の間隔d1は、漸次的に小さくなっている。このため、第1切断面における水素極集電部61は、弓形状である。すなわち、第2側面612は、弓形状である。
The distance d1 between the pair of first side surfaces 611 becomes smaller as the first and second
一対の第2側面612は、図7に示すような第2切断面において、直線状である。第2側面612は、厚さ方向に対して実質的に平行に延びている。各第2側面612は、この直線を第1方向(x軸方向)に平行移動させてできる平面によって構成されている。
The pair of second side surfaces 612 are linear in the second cross section as shown in FIG. The
このように一対の第2側面612は直線状であり、第2方向において水素極集電部61の厚さは実質的に等しい。すなわち、第2切断面において水素極集電部61の厚さは実質的に等しい。このため、第1方向に流れる電流の大きさは、第2切断面における水素極集電部61内において均一化される。すなわち、第2切断面において、水素極集電部61の中央部と両端部とで電流の大きさが実質的に等しい。その結果、水素極集電部61内での抵抗ロスを抑制することができる。また、電流集中による、水素極集電部61を構成する材料の微構造変化を抑制することができ、その結果、導電率低下を抑制できる。
Thus, the pair of second side surfaces 612 are linear, and the thickness of the hydrogen electrode
第2側面612と底面614とは、滑らかに連結されていない。第2側面612と底面614とがなす角度は、90度程度である。各第2側面612は、各第1側面611とは異なり、傾斜していない。各第2側面612は、厚さ方向及び第1方向に沿って延びている。
The
一対の第2側面612の間隔d2は、厚さ方向において一定である。なお、ここでいう「一定」とは、完全に一定である必要はなく、製造上の誤差があってもよい。一対の第2側面612の間隔d2が厚さ方向において一定であるため、第2切断面における水素極集電部61は、矩形状である。すなわち、第1側面611は、第1方向視において、矩形状である。
The distance d2 between the pair of second side surfaces 612 is constant in the thickness direction. It should be noted that the term "constant" as used herein does not have to be completely constant, and may include manufacturing errors. Since the distance d2 between the pair of second side surfaces 612 is constant in the thickness direction, the hydrogen electrode
図6に示すように、水素極集電部61の第3主面613は、支持基板4の第1主面45と実質的に同一面上にある。すなわち、支持基板4の第1主面45と、各水素極集電部61の第3主面613とによって、一つの面が構成されている。なお、第3主面613は、第1主面45と完全に同一面上になくてもよい。例えば、第1主面45と第3主面613との間に、20μm以下程度の段差があってもよい。第3主面613は平坦面を構成している。
As shown in FIG. 6 , the third
水素極集電部61は、電子伝導性を有する。水素極集電部61は、水素極活性部62よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。水素極集電部61は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
The
水素極集電部61は、例えば、NiO及び8YSZの複合物、NiO及びY2O3の複合物、又は、NiO及びCSZの複合物などによって構成することができる。水素極集電部61の厚さ、及び凹部49の深さは、50~500μm程度である。
The
[水素極活性部]
水素極活性部62は、水素極集電部61の第3主面613上に配置されている。このため、水素極活性部62は、凹部49から突出している。すなわち、水素極活性部62は、水素極集電部61に埋設されていない。水素極活性部62の端縁は、第3主面613上において、水素極集電部61の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、水素極活性部62は、水素極集電部61よりも平面視(z軸方向視)の面積が小さい。そして、水素極活性部62は、第3主面613内に収まっている。
[Hydrogen electrode active part]
The hydrogen electrode
水素極活性部62は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。水素極活性部62は、水素極集電部61より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。
The hydrogen electrode
水素極活性部62は、NiO及び8YSZの複合物、又は、NiO及びGDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)の複合物などによって構成することができる。水素極活性部62の厚さは、5~30μmである。
The hydrogen electrode
[電解質]
電解質7は、水素極6と酸素極8との間に配置される。電解質7は、酸素イオン伝導性を有する。電解質7は、水素極6において生成されたO2-を酸素極8に伝達させる。電解質7は、水素極6上を覆うように配置されている。詳細には、電解質7は、一のインターコネクタ9から他のインターコネクタ9まで支持基板4の長手方向に延びている。すなわち、支持基板4の長手方向において、電解質7とインターコネクタ9とが交互に配置されている。
[Electrolytes]
An
電解質7は、支持基板4よりも緻密である。例えば、電解質7の気孔率は、0~7%程度である。電解質7は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質7は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、又は、LSGM(ランタンガレート)などによって構成することができる。電解質7の厚さは、例えば、3~50μm程度である。
The
[反応防止膜]
反応防止膜11は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜11は、厚さ方向視において、水素極活性部62と略同一の形状であり、水素極活性部62と重複するように配置されている。反応防止膜11は、電解質7を介して、水素極活性部62と対応する位置に配置されている。反応防止膜11は、電解質7内のYSZと酸素極活性部81内のSrとが反応して電解質7と酸素極活性部81との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜11は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)などによって構成することができる。反応防止膜11の厚さは、例えば、3~50μm程度である。
[Reaction prevention film]
The
[酸素極]
酸素極8は、下記(2)式に示す化学反応に従って、電解質7を介して水素極6より伝達されるO2-からO2を生成する。
・酸素極8:2O2-→O2+4e-・・・(2)
[Oxygen electrode]
The
・Oxygen electrode 8: 2O 2− → O 2 +4e − (2)
酸素極8は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。酸素極8は、焼成体である。酸素極8は、水素極6と協働して電解質7を挟むように配置されている。酸素極8は、酸素極活性部81及び酸素極集電部82を有している。
The
[酸素極活性部]
酸素極活性部81は、反応防止膜11上に配置されている。酸素極活性部81は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。酸素極活性部81は、酸素極集電部82より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。
[Oxygen active part]
The oxygen electrode
酸素極活性部81は、多孔質の材料から構成される。酸素極活性部81は焼成体である。酸素極活性部81は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)、又はSSC=(Sm,Sr)CoO3(サマリウムストロンチウムコバルタイト)などによって構成することができる。また、酸素極活性部81は、LSCFから構成される第1層(内側層)とLSCから構成される第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。酸素極活性部81の厚さは、例えば、10~100μmである。
The oxygen electrode
[酸素極集電部]
酸素極集電部82は、酸素極活性部81上に配置されている。酸素極集電部82は、酸素極活性部81から、隣の素子部5に向かって延びている。酸素極集電部82は、インターコネクタ9を介して隣の素子部5の水素極集電部61と電気的に接続されている。なお、水素極集電部61と酸素極集電部82とは、第1方向において、反応領域から互いに反対側に延びている。なお、反応領域とは、電解セル10の厚さ方向視(z軸方向視)において、水素極活性部62と電解質7と酸素極活性部81とが重複する領域である。
[Oxygen electrode current collector]
The oxygen electrode
酸素極集電部82は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。酸素極集電部82は、焼成体である。酸素極集電部82は、酸素極活性部81よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。酸素極集電部82は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
The oxygen electrode
酸素極集電部82は、例えば、LSCF、LSC、Ag(銀)、又は、Ag-Pd(銀パラジウム合金)などによって構成することができる。なお、酸素極集電部82の厚さは、例えば、50~500μm程度である。
The
[インターコネクタ]
インターコネクタ9は、第1方向において隣り合う素子部5同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ9は、隣り合う素子部5の一方の素子部5の水素極6と、他方の素子部5の酸素極8とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ9は、一方の素子部5の水素極集電部61と、他方の素子部5の酸素極集電部82とを電気的に接続している。
[Interconnector]
The
このように、各素子部5は、インターコネクタ9によって、第1及び第2主面45、46のそれぞれにおいて電解セル10の先端部102から基端部101まで直列に接続されている。
In this way, each
インターコネクタ9は、水素極集電部61の第3主面613上に配置されている。インターコネクタ9は、第1方向において、水素極活性部62と間隔をあけて配置されている。
The
インターコネクタ9は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される。インターコネクタ9は、焼成体である。インターコネクタ9は、支持基板4よりも緻密である。例えば、インターコネクタ9の気孔率は、0~7%程度である。インターコネクタ9は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)、又は、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)などによって構成することができる。インターコネクタ9の厚さは、例えば、10~100μmである。
The
図8に示すように、各電解セル10において最も基端側に配置されたインターコネクタ9は、第1主面45に配置される素子部5と、第2主面46に配置される素子部5とを電気的に接続している。
As shown in FIG. 8 , the
第2主面46において最も基端側に配置された素子部5の酸素極集電部82は、第2主面46から側面47を介して第1主面45まで延びている。すなわち、この最も基端側に配置された素子部5の酸素極集電部82は、環状に延びている。そして、第1主面45において最も基端側に配置されたインターコネクタ9は、第2主面46から第1主面45まで延びる酸素極集電部82と、第1主面45において最も基端側に配置された素子部5の水素極集電部61と、を電気的に接続している。
The oxygen electrode
このように、第1主面45において直列接続された複数の素子部5と、第2主面46において直列接続された複数の素子部5とは、インターコネクタ9によって、電解セル10の基端部101において直列接続されている。
Thus, the plurality of
[連通部材]
図4に示すように、連通部材3は、支持基板4の先端部42に取り付けられている。そして、連通部材3は、第1ガス流路43と第2ガス流路44とを連通させる連通流路30を有している。詳細には、連通流路30は、各第1ガス流路43と各第2ガス流路44とを連通する。連通流路30は、各第1ガス流路43から各第2ガス流路44まで延びる空間によって構成されている。連通部材3は、支持基板4に接合されていることが好ましい。また、連通部材3は、支持基板4と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路30の数は、第1ガス流路43の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路30のみによって、複数の第1ガス流路43と複数の第2ガス流路44とが連通されている。
[Communication member]
As shown in FIG. 4 , the
連通部材3は、例えば、多孔質である。また、連通部材3は、その外側面を構成する緻密層31を有している。緻密層31は、連通部材3の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層31の気孔率は、0~7%程度である。この緻密層31は、連通部材3と同じ材料、上述した電解質7に使用される材料、又は結晶化ガラス等によって形成することができる。
The
[集電部材]
図9に示すように、セルスタック装置100は、集電部材12をさらに有している。集電部材12は、隣り合う電解セル10の間に配置されている。そして、集電部材12は、隣り合う電解セル10を互いに電気的に接続している。集電部材12は、隣り合う電解セル10の先端部102同士を接合している。例えば、集電部材12は、支持基板4の両主面に配置された複数の素子部5のうち、最も先端側に配置された素子部5よりも先端側に配置されている。集電部材12は、隣り合う電解セル10の最も先端側に配置された素子部5同士を電気的に接続している。
[Current collector]
As shown in FIG. 9, the
集電部材12は、導電性接合材103を介して、素子部5から延びる酸素極集電部82に接合される。導電性接合材103としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材103は、(Mn,Co)3O4、(La,Sr)MnO3、及び(La,Sr)(Co,Fe)O3などから選ばれる少なくとも1種によって構成することができる。
The current collecting
[使用方法]
上述したように構成されたセルスタック装置100では、電極間に電力を供給しながら、マニホールド2のガス供給室21にH2O及びCO2を供給する。そして、水素極6において生成されたH2、及びCOをガス回収室22で回収する。
[how to use]
In the
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
[Modification]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
変形例1
上記実施形態では、第1ガス流路43と第2ガス流路44とは、連通部材3が有する連通流路30によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図10に示すように、支持基板4が、内部に連通流路30を有していてもよい。この場合、セルスタック装置100は、連通部材3を備えていなくてもよい。この支持基板4内に形成された連通流路30によって、第1ガス流路43と第2ガス流路44とが連通されている。
In the above-described embodiment, the first
変形例2
上記実施形態では、電解セル10は、第1ガス流路43と第2ガス流路44とを有していたが、電解セル10の構成はこれに限定されない。例えば、図11に示すように、電解セル10は、第1ガス流路43のみを有しており、第2ガス流路44は有していなくてもよい。この場合、マニホールド2は、ガス供給室21のみを有しており、ガス回収室22は有していない。すなわち、マニホールド2は仕切板24を有していない。そして、電解セル10の先端部102から排出されたH2及びCOなどは、別の部材によって回収することができる。
In the above embodiment, the
変形例3
上記実施形態では、第1断面において、水素極集電部61の第1側面611は円弧状に形成されていたが、水素極集電部61の構成はこれに限定されない。例えば、図12に示すように、第1断面において、水素極集電部61の第1側面611は、直線状であってもよい。
In the above-described embodiment, the
4 :支持基板
43、44 :ガス流路
49 :凹部
61 :水素極集電部
611 :第1側面
612 :第2側面
10 :電解セル
4:
Claims (10)
前記第1方向を向く一対の第1側面、及び前記第1方向と交差する第2方向を向く一対の第2側面、を含み且つ前記凹部内に配置される水素極集電部、を有する水素極と、
を備え、
前記水素極は、吸熱を伴う電解反応により水素を生成するように構成され、
前記一対の第1側面の間隔は、前記ガス流路に近付くにつれて小さくなり、
前記一対の第2側面の間隔は、一定である、
電解セル。
a porous support substrate having recesses and gas channels extending in a first direction;
a hydrogen electrode current collector disposed in the recess, including a pair of first side surfaces facing in the first direction and a pair of second side surfaces facing in a second direction crossing the first direction; Pole and
with
The hydrogen electrode is configured to generate hydrogen by an endothermic electrolytic reaction,
The distance between the pair of first side surfaces becomes smaller as it approaches the gas flow path ,
The distance between the pair of second side surfaces is constant,
electrolytic cell.
前記第1方向を向く一対の第1側面、及び前記第1方向と交差する第2方向を向く一対の第2側面、を有み且つ前記凹部内に配置される水素極集電部、を有する水素極と、
を備え、
前記水素極は、吸熱を伴う電解反応により水素を生成するように構成され、
前記一対の第1側面の間隔は、前記ガス流路に近付くにつれて小さくなり、
前記一対の第2側面は、前記第1方向と直交する第2切断面において、直線状である、
電解セル。
a porous support substrate having recesses and gas channels extending in a first direction;
a hydrogen electrode current collector having a pair of first side surfaces facing the first direction and a pair of second side surfaces facing a second direction crossing the first direction, and disposed within the recess. a hydrogen electrode ;
with
The hydrogen electrode is configured to generate hydrogen by an endothermic electrolytic reaction,
The distance between the pair of first side surfaces becomes smaller as it approaches the gas flow path ,
The pair of second side surfaces are linear on a second cross section perpendicular to the first direction,
electrolytic cell.
前記第1方向を向く一対の第1側面、及び前記第1方向と交差する第2方向を向く一対の第2側面、を含み且つ前記凹部内に配置される水素極集電部、を有する水素極と、
を備え、
前記水素極は、吸熱を伴う電解反応により水素を生成するように構成され、
前記一対の第1側面の間隔は、前記ガス流路に近付くにつれて小さくなり、
前記一対の第2側面は、平面である、
電解セル。
a porous support substrate having recesses and gas channels extending in a first direction;
a hydrogen electrode current collector disposed in the recess, including a pair of first side surfaces facing in the first direction and a pair of second side surfaces facing in a second direction crossing the first direction; Pole and
with
The hydrogen electrode is configured to generate hydrogen by an endothermic electrolytic reaction,
The distance between the pair of first side surfaces becomes smaller as it approaches the gas flow path ,
The pair of second side surfaces are planar,
electrolytic cell.
請求項2又は3に記載の電解セル。
The distance between the pair of second side surfaces is constant,
4. Electrolysis cell according to claim 2 or 3 .
請求項1又は3に記載の電解セル。
The pair of second side surfaces are linear on a second cross section perpendicular to the first direction,
The electrolytic cell according to claim 1 or 3 .
請求項1又は2に記載の電解セル。
The pair of second side surfaces are planar,
3. Electrolysis cell according to claim 1 or 2 .
請求項1から6のいずれかに記載の電解セル。
The pair of first side surfaces are arc-shaped on a first cutting plane orthogonal to the second direction,
The electrolytic cell according to any one of claims 1-6 .
請求項1から7のいずれかに記載の電解セル。
The pair of first side surfaces are curved surfaces,
8. Electrolytic cell according to any one of claims 1 to 7 .
請求項1から8のいずれかに記載の電解セル。
The pair of first side surfaces are inclined to face the gas flow path,
9. Electrolysis cell according to any one of claims 1 to 8 .
前記桟部は、先端部及び基端部を有し、
前記先端部は、前記第1方向における寸法が、前記基端部よりも小さい、
請求項1から9のいずれかに記載の電解セル。
The support substrate has a plurality of recesses spaced apart along the first direction, and crosspieces placed between the recesses,
The crosspiece has a tip end and a base end,
The distal end has a smaller dimension in the first direction than the proximal end,
10. Electrolytic cell according to any of claims 1-9 .
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