JP7140883B1

JP7140883B1 - 電解セル

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Publication number: JP7140883B1
Application number: JP2021088972A
Authority: JP
Inventors: 俊之中村; 真司藤崎; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2041-05-27
Also published as: JP2022181805A

Abstract

【課題】支持基板におけるクラック発生を抑制する。【解決手段】支持基板４は、第１主面４５ａ、第２主面４５ｂ、ガス流路４３，４４、及び複数の第１凹部４９ａを有している。ガス流路４３，４４は、第１方向に延びている。各第１凹部４９ａは、第１主面４５ａ上に形成されている。各第１凹部４９ａ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。第１水素極６は、各第１凹部４９ａ内に配置されている。支持基板４は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とを有する。第１領域Ａ１は、厚さ方向視において第１凹部４９ａと重複し且つガス流路４３，４４に対して第１主面４５ａ側に配置される領域である。第２領域Ａ２は、隣り合う第１領域Ａ１の間に配置される領域である。第１領域Ａ１における気孔率は、第２領域Ａ２における気孔率よりも低い。【選択図】図６

Description

本発明は、電解セルに関するものである。

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、Ｈ_２ＯとＣＯ_２との混合ガス、及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を電解することで、Ｈ_２とＣＯとの混合ガス、及びＨ_２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。

特許第６１１０２４６号公報

水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の電解反応、およびＨ_２ＯとＣＯ_２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。より多くの電解生成ガスを発生させるためには電解反応量を大きくする必要があるが、それに伴い吸熱量も大きくなり、温度低下も顕著となる。電解反応は水素極で進行するため、支持基板内において、水素極との接触面積が大きい領域の温度が電解反応によって局所的に低下する。このように、支持基板内で温度分布が生じるため、支持基板にクラックが発生することがあった。

本発明の課題は、支持基板におけるクラック発生を抑制することにある。

本発明のある側面に係る電解セルは、支持基板及び第１水素極を備えている。支持基板は、多孔質である。支持基板は、第１主面、第２主面、ガス流路、及び複数の第１凹部を有している。ガス流路は、第１方向に延びている。各第１凹部は、第１主面上に形成されている。各第１凹部は、第１方向において互いに間隔をあけて配置されている。第１水素極は、各第１凹部内に配置されている。支持基板は、第１領域と第２領域とを有する。第１領域は、厚さ方向視において第１凹部と重複し且つガス流路に対して第１主面側に配置される領域である。第２領域は、隣り合う第１領域の間に配置される領域である。第１領域における気孔率は、第２領域における気孔率よりも低い。

第１領域は、水素極との接触面積が大きい領域となるため、電解反応によって温度が最も低下してクラックが発生しやすい領域である。これに対して、上記のように構成された電解セルでは、第１領域は第２領域よりも気孔率が低く構成されているため、第１領域の強度は第２領域よりも強い。この結果、第１領域におけるクラックの発生を抑制することができる。一方で、第２領域は第１領域よりも気孔率が高いため、ガス拡散性が必要以上に低下することを防止することができる。

好ましくは、第２領域は、第１外側部と、第１内側部とを有する。第１外側部は、第１方向視において第１凹部と重複する。第１内側部は、第１方向視において第１凹部と重複しない。第１外側部の気孔率は、第１内側部の気孔率よりも低い。この構成によれば、水素極と接触することで温度が低下しやすい第１外側部を、第１内側部よりも強度を強くしている。このため、支持基板におけるクラック発生をさらに抑制することができる。

好ましくは、支持基板は、複数の第２凹部を有する。各第２凹部は、第２主面上に形成される。各第２凹部は、第１方向において互いに間隔をあけて配置される。支持基板は、第３領域と第４領域とを有する。第３領域は、厚さ方向視において第２凹部と重複し且つガス流路に対して第２主面側に配置される領域である。第４領域は、隣り合う第３領域の間に配置される領域である。第３領域における気孔率は、第４領域における気孔率よりも低い。

好ましくは、第１領域は、厚さ方向視において、第３領域と重複する。第２領域は、厚さ方向視において、第４領域と重複する。

好ましくは、第１領域は、厚さ方向視において、第４領域と重複する。第２領域は、厚さ方向視において、第３領域と重複する。

好ましくは、第４領域は、第２外側部と第２内側部とを有する。第２外側部は、第１方向視において第２凹部と重複する。第２内側部は、第１方向視において第２凹部と重複しない。第２外側部の気孔率は、第２内側部の気孔率よりも低い。

本発明によれば、支持基板におけるクラック発生を抑制することができる。

セルスタック装置の斜視図。マニホールドの断面図。マニホールドの平面図。セルスタック装置の断面図。電解セルの斜視図。水素極が設けられた支持基板の断面図。電解セルの断面図。電解セルの断面図。基端部における電解セルの断面図。先端部における電解セルの断面図。変形例に係るセルスタック装置の断面図。変形例に係るセルスタック装置の断面図。水素極が設けられた変形例における支持基板の断面図。水素極が設けられた変形例における支持基板の断面図。

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。

［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。

［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、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２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Ｈ_２及びＣＯなどを回収する。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２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Ｈ_２及びＣＯなどをガス回収室２２に排出する。

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。

図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５ａと、第２主面４５ｂとを有している。第１主面４５ａと第２主面４５ｂとは、互いに反対を向いている。第１主面４５ａ及び第２主面４５ｂは、各素子部５を支持している。第１主面４５ａ及び第２主面４５ｂ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４５ａと第２主面４５ｂとが対向するように配置されている。

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）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（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。

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。

図６及び図７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及び図７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及び図７と実質的に同じである。図６では、図解を容易にするため、支持基板４及び水素極６以外の部材の記載を省略している。

図６に示すように、支持基板４は、複数の第１凹部４９ａと、複数の第２凹部４９ｂとを有している。また、支持基板４は、複数の第１桟部５０ａと、複数の第２桟部５０ｂとを有している。

第１凹部４９ａは、第１主面４５ａ上に形成されている。複数の第１凹部４９ａ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、複数の第１凹部４９ａ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。この第１凹部４９ａ内には、後述する第１水素極６が配置されている。

第２凹部４９ｂは、第２主面４５ｂ上に形成されている。複数の第２凹部４９ｂ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、複数の第２凹部４９ｂ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。この第２凹部４９ｂ内には、後述する第２水素極６が配置されている。

各第１凹部４９ａ及び各第２凹部４９ｂは、支持基板４の幅方向に延びている。なお、各第１凹部４９ａ及び各第２凹部４９ｂ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。

第１桟部５０ａは、隣り合う第１凹部４９ａの間に配置される。すなわち、一対の第１凹部４９ａの間の部分が第１桟部５０ａとなる。第１桟部５０ａは、支持基板４の幅方向に延びている。第１方向において、第１凹部４９ａと第１桟部５０ａとが交互に配置される。

第２桟部５０ｂは、隣り合う第２凹部４９ｂの間に配置される。すなわち、一対の第２凹部４９ｂの間の部分が第２桟部５０ｂとなる。第２桟部５０ｂは、支持基板４の幅方向に延びている。第１方向において、第２凹部４９ｂと第２桟部５０ｂとが交互に配置される。

支持基板４は、複数の第１領域Ａ１、及び複数の第２領域Ａ２を有している。第１領域Ａ１は、厚さ方向視（ｚ軸方向視）において第１凹部４９ａと重複している領域である。なお、厚さ方向とは支持基板４の厚さ方向を意味する。また、厚さ方向は、第１凹部４９ａの深さ方向と同義である。

また、第１領域Ａ１は、ガス流路４３，４４に対して第１主面４５ａ側に配置される領域である。具体的には、第１領域Ａ１は、図６の二点鎖線と第１凹部４９ａとガス流路４３，４４とによって囲まれた領域である。また、図８の二点鎖線と第１凹部４９ａとによって囲まれた領域である。なお、図８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。図８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。

図６に示すように、第２領域Ａ２は、隣り合う第１領域Ａ１の間に配置される領域である。すなわち、厚さ方向視において、第１凹部４９ａと重複していない領域である。具体的には、第２領域Ａ２は、図６の二点鎖線と第１主面４５ａとガス流路４３、４４とによって囲まれた領域である。第１方向において、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とが交互に配置されている。第２領域Ａ２は、第１領域Ａ１よりも小さい。

第１領域Ａ１における気孔率は、第２領域Ａ２における気孔率よりも低い。このため、支持基板４は、第１方向において、気孔率が高い部分と気孔率が低い部分とが交互に配置される。なお、特に限定されるものではないが、第１領域Ａ１における気孔率は、第２領域Ａ２における気孔率の２５～９０％程度である。

なお、本明細書において、気孔率は、断面画像を画像解析して気孔部分を数値化することで測定することができる。具体的には、支持基板４の幅方向中央部において、第１ガス流路４３に沿って支持基板４を切断することによって、第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２の断面を作成する。そして、この断面をＦＥ－ＳＥＭによって２０００～７５００倍に拡大して断面画像を作成する。そして、この断面画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析する。解析後の断面画像上で材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率として定義する。なお、各領域につき中央部で１０視野分を撮影して気孔率を数値化し、その平均値を気孔率とする。

第２領域Ａ２は、第１外側部Ａ２１と、第１内側部Ａ２２とを有している。第１外側部Ａ２１は、第１方向視において、第１凹部４９ａと重複している。第１内側部Ａ２２は、第１方向視において、第１凹部４９ａと重複していない。すなわち、第１主面４５ａ側から順に、第１外側部Ａ２１，第１内側部Ａ２２の順で配置されている。

第１外側部Ａ２１の気孔率は、第１内側部Ａ２２の気孔率よりも低くすることができる。なお、第１外側部Ａ２１及び第１内側部Ａ２２の気孔率は、上記と同様の方法で測定することができる。

また、支持基板４は、複数の第３領域Ａ３、及び複数の第４領域Ａ４を有している。第３領域Ａ３は、厚さ方向視（ｚ軸方向視）において第２凹部４９ｂと重複している領域である。厚さ方向は、第２凹部４９ｂの深さ方向と同義である。

また、第３領域Ａ３は、ガス流路４３，４４に対して第２主面４５ｂ側に配置される領域である。具体的には、第３領域Ａ３は、図６の二点鎖線と第２凹部４９ｂとガス流路４３，４４とによって囲まれた領域である。また、図８の二点鎖線と第２凹部４９ｂとによって囲まれた領域である。

図６に示すように、第４領域Ａ４は、隣り合う第３領域Ａ３の間に配置される領域である。すなわち、厚さ方向視において、第２凹部４９ｂと重複していない領域である。具体的には、第４領域Ａ４は、図６の二点鎖線と第２主面４５ｂとガス流路４３、４４とによって囲まれた領域である。第１方向において、第３領域Ａ３と第４領域Ａ４とが交互に配置されている。第４領域Ａ４は、第３領域Ａ３よりも小さい。

第３領域Ａ３における気孔率は、第４領域Ａ４における気孔率よりも低い。このため、支持基板４は、第１方向において、気孔率が高い部分と気孔率が低い部分とが交互に配置される。なお、特に限定されるものではないが、第３領域Ａ３における気孔率は、第４領域Ａ４における気孔率の２５～９０％程度である。なお、第３領域Ａ３及び第４領域Ａ４における気孔率は、上記第１領域Ａ１及び第２領域Ａ２における気孔率と同様の方法で測定することができる。

第４領域Ａ４は、第２外側部Ａ４１と、第２内側部Ａ４２とを有している。第２外側部Ａ４１は、第１方向視において、第２凹部４９ｂと重複している。第２内側部Ａ４２は、第１方向視において、第２凹部４９ｂと重複していない。すなわち、第２主面４５ｂ側から順に、第２外側部Ａ４１，第２内側部Ａ４２の順で配置されている。

第２外側部Ａ４１の気孔率は、第２内側部Ａ４２の気孔率よりも低くすることができる。なお、第２外側部Ａ４１及び第２内側部Ａ４２の気孔率は、上記と同様に測定することができる。

第１領域Ａ１は、厚さ方向視において、第３領域Ａ３と重複している。すなわち、第１凹部４９ａ、第２凹部４９ｂ、第１領域Ａ１、及び第３領域Ａ３は、厚さ方向視において、互いに重複している。

第２領域Ａ２は、厚さ方向視において、第４領域Ａ４と重複している。第２領域Ａ２及び第４領域Ａ４は、厚さ方向視において、第１凹部４９ａと重複しておらず、また、第２凹部４９ｂとも重複していない。また、第１領域Ａ１は、厚さ方向視において、第４領域Ａ４と重複していない。第２領域Ａ２は、厚さ方向視において、第３領域Ａ３と重複していない。

なお、支持基板４における第１～第４領域Ａ１～Ａ４の各気孔率は、気孔率を低くしたい領域を加圧すること等によって、調整することができる。具体的には次のようにして調整することができる。予め第１凹部４９ａを形成した支持基板４の成形体に対し、加圧圧縮を加える。その際に、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４内には流路ピンを挿入して固定した上で、第１凹部４９ａと同形状の圧縮治具により第１領域Ａ１にのみ圧縮力が加わるように加圧する。この操作により第２領域Ａ２と比較して第１領域Ａ１の方がより高密度な支持基板４を形成することができる。なお、第３領域Ａ３と第４領域Ａ４についても同様の手法により第３領域の気孔率をより低くすることができる。

また、隣り合う第１凹部４９ａに圧縮治具を設置し、各圧縮治具で第１外側部Ａ２１を挟んで加圧することにより、第１外側部Ａ２１の気孔率を第１内側部Ａ２２の気孔率よりも低くすることができる。なお、同様の方法により、第２外側部Ａ４１の気孔率を第２内側部Ａ４２の気孔率よりも低くすることができる。

［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４５ａ及び第２主面４５ｂに支持されている。なお、第１主面４５ａに形成される素子部５の数と第２主面４５ｂ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４５ａ及び第２主面４５ｂのどちらか一方のみに支持されていてもよい。

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。

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。

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。

図７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。

［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、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏから、Ｈ_２、ＣＯ、及びＯ^２－を生成する。
・水素極６：ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋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。

第１主面４５ａ上に形成された素子部５の水素極６（以下、「第１水素極６」とも呼ぶ）は、第１凹部４９ａ内に配置されている。詳細には、第１水素極６の水素極集電部６１が第１凹部４９ａ内に配置されている。また、第２主面４５ｂ上に形成された素子部５の水素極６（以下、「第２水素極６」とも呼ぶ）は、第２凹部４９ｂ内に配置されている。詳細には、第２水素極６の水素極集電部６１が第２凹部４９ｂ内に配置されている。

［水素極集電部］
第１主面４５ａ上に形成された水素極集電部６１は、第１凹部４９ａ内に配置されており、第２主面４５ｂ上に形成された水素極集電部６１は、第２凹部４９ｂ内に配置されている。詳細には、水素極集電部６１は、第１凹部４９ａ又は第２凹部４９ｂを埋めており、第１凹部４９ａ又は第２凹部４９ｂと同様の形状を有する。

図７及び図８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。

一対の第１側面６１１は、図７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。

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。

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。

一対の第２側面６１２は、図８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。

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。

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。

図７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４５ａ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４５ａ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４５ａと完全に同一面上になくてもよい。例えば、第１主面４５ａ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。

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。

水素極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、ＮｉＯ及びＹ_２Ｏ_３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４９ａ、４９ｂの深さは、５０～５００μｍ程度である。

［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４９ａ、４９ｂ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。

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。

水素極活性部６２は、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、又は、ＮｉＯ及びＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（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。

［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Ｏ^２－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。

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。

［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）Ｏ_２（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。

［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Ｏ^２－からＯ_２を生成する。
・酸素極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。

［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。

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）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、又はＳＳＣ＝（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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。

［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。

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。

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。

［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。

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４５ａ、４５ｂ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。

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。

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、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）、又は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（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。

図９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４５ａに配置される素子部５と、第２主面４５ｂに配置される素子部５とを電気的に接続している。

第２主面４５ｂ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４５ｂから側面４７を介して第１主面４５ａ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４５ａ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４５ｂから第１主面４５ａまで延びる酸素極集電部８２と、第１主面４５ａ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。

このように、第１主面４５ａにおいて直列接続された複数の素子部５と、第２主面４５ｂ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。

［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。

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。

［集電部材］
図１０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。

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）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３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。

［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Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を供給する。そして、水素極６において生成されたＨ_２、及びＣＯをガス回収室２２で回収する。

［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。

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１１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。

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１２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Ｈ_２及びＣＯなどは、別の部材によって回収することができる。

変形例３
上記実施形態では、第１外側部Ａ２１の気孔率は、第１内側部Ａ２２の気孔率よりも低くなるように支持基板４が構成されていたが、支持基板４の構成はこれに限定されない。例えば、第１外側部Ａ２１の気孔率は、第１内側部Ａ２２の気孔率よりも高くてもよい。また、第１外側部Ａ２１の気孔率は、第１内側部Ａ２２の気孔率と実質的に同じであってもよい。

また、上記実施形態では、第２外側部Ａ４１の気孔率は、第２内側部Ａ４２の気孔率よりも低くなるように支持基板４が構成されていたが、支持基板４の構成はこれに限定されない。例えば、第２外側部Ａ４１の気孔率は、第２内側部Ａ４２の気孔率よりも高くてもよい。また、第２外側部Ａ４１の気孔率は、第２内側部Ａ４２の気孔率と実質的に同じであってもよい。

変形例４
上記実施形態では、厚さ方向視において、第１領域Ａ１は第３領域Ａ３と重複しており、第２領域Ａ２は第４領域Ａ４と重複していたが、支持基板４の構成はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、第１領域Ａ１は、厚さ方向視において、第４領域Ａ４と重複していてもよい。また、第２領域Ａ２は、厚さ方向視において、第３領域Ａ３と重複していてもよい。すなわち、上記実施形態では、第１方向において、第１凹部４９ａと第２凹部４９ｂとが同じ位置に配置されていたが、第１凹部４９ａは、第２凹部４９ｂと異なる位置に配置されていてもよい。

変形例５
上記実施形態では、第１切断面における水素極集電部６１の形状は、弓形状であったが、水素極集電部６１の形状はこれに限定されない。例えば、図１４に示すように、第１切断面における水素極集電部６１の形状は、矩形状であってもよい。

４：支持基板
４３、４４：ガス流路
４５ａ：第１主面
４５ｂ：第２主面
４９ａ：第１凹部
Ａ１：第１領域
Ａ２：第２領域
Ａ２１：第１外側部
Ａ２２：第１内側部
Ａ３：第３領域
Ａ４：第４領域
Ａ４１：第２外側部
Ａ４２：第２内側部
６：水素極
１０：電解セル

Claims

第１主面、第２主面、第１方向に延びるガス流路、及び前記第１主面上に形成され前記第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第１凹部、を有する多孔質の支持基板と、
前記各第１凹部内に配置される第１水素極と、
を備え、
前記第１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、
前記支持基板は、厚さ方向視において前記第１凹部と重複し且つ前記ガス流路に対して前記第１主面側に配置される第１領域と、隣り合う前記第１領域の間に配置される第２領域と、を有し、
前記第１領域における気孔率は、前記第２領域における気孔率よりも低い、
電解セル。
前記第２領域は、前記第１方向視において前記第１凹部と重複する第１外側部と、前記第１方向視において前記第１凹部と重複しない第１内側部と、を有し、
前記第１外側部の気孔率は、前記第１内側部の気孔率よりも低い、
請求項１に記載の電解セル。
前記支持基板は、前記第２主面上に形成され前記第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第２凹部、を有し、
前記支持基板は、厚さ方向視において前記第２凹部と重複し且つ前記ガス流路に対して前記第２主面側に配置される第３領域と、隣り合う前記第３領域の間に配置される第４領域と、を有し、
前記第３領域における気孔率は、前記第４領域における気孔率よりも低い、
請求項１又は２に記載の電解セル。
前記第１領域は、厚さ方向視において、前記第３領域と重複しており、
前記第２領域は、厚さ方向視において、前記第４領域と重複する、
請求項３に記載の電解セル。
前記第１領域は、厚さ方向視において、前記第４領域と重複しており、
前記第２領域は、厚さ方向視において、前記第３領域と重複する、
請求項３に記載の電解セル。
前記第４領域は、前記第１方向視において前記第２凹部と重複する第２外側部と、第１方向視において前記第２凹部と重複しない第２内側部と、を有し、
前記第２外側部の気孔率は、前記第２内側部の気孔率よりも低い、
請求項３から５のいずれかに記載の電解セル。