JP7236588B1 - 電解セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素極の高い電解性能と活性低下抑制とを両立できる電解セルを提供する。【解決手段】電解セル１０は、支持基板４と第1素子部５ａと第２素子部５ｂとを備える。支持基板４の内部には、水蒸気及び二酸化炭素が流れる第１流路４３が形成される。第２素子部５ｂは、第１流路４３内を流れるＨ２Ｏ及びＣＯ２の流通方向において第１素子部５ａの下流側に配置される。第1素子部５ａの水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成される。第２素子部５ｂの水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、電解セル、及びセルスタック装置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、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を共電解することで、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）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。支持基板の内部には、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏが流れる流路が形成される。素子部は、支持基板上に配置される水素極と、酸素極と、水素極及び酸素極の間に配置される電解質とを有する。水素極は、ニッケル（Ｎｉ）などの金属系材料を含む。この金属系材料は、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する。

特許第６１１０２４６号公報

しかしながら、金属系材料を含む水素極は、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏ以外の不純物（例えば、硫黄（Ｓ））に被毒することによって活性低下しやすい。そのため、水素極の高い電解性能と活性低下抑制とを両立したいという要請がある。

本発明の課題は、水素極の高い電解性能と活性低下抑制とを両立できる電解セルを提供することにある。

本発明の一側面に係る電解セルは、支持基板と、第１素子部と、第２素子部とを備える。支持基板の内部には、水蒸気及び二酸化炭素が流れる第１流路が形成される。第１素子部は、支持基板に支持される。第２素子部は、支持基板に支持され、第１流路内を流れる水蒸気及び二酸化炭素の流通方向において第１素子部の下流側に配置される。第１素子部及び第２素子部それぞれは、酸素極と、酸素極及び支持基板の間に配置される水素極活性部と、酸素極及び水素極活性部の間に配置される電解質とを有する。第１素子部の水素極活性部は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成される。第２素子部の水素極活性部は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、及び電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される。

本発明によれば、水素極の高い電解性能と活性低下抑制とを両立できる電解セルを提供することができる。

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。 マニホールドに取り付けられた電解セルの平面図。 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ｃに係る電解セルの平面図。 図９のＡ－Ａ断面図。 変形例ｄに係る電解セルの平面図。

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。図３は、マニホールドの平面図である。なお、図１乃至図３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、供給室２１と回収室２２とを有している。供給室２１には、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、及び二酸化炭素（ＣＯ_２）などが供給される。なお、供給室２１には、水素（Ｈ_２）がさらに供給されてもよい。回収室２２は、各電解セル１０にて生成されたＨ_２及び一酸化炭素（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。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を供給室２１と回収室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の長手方向に延びている。

供給室２１の底面には、供給口２１１が形成されている。また、回収室２２の底面には、排出口２２１が形成されている。なお、供給口２１１及び排出口２２１は、底面ではなく側面や上面に形成されていてもよい。

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、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。

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、供給室２１及び回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、供給室２１と連通する部分と回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

［電解セル］
図４は、セルスタック装置の断面図である。また、図５は、マニホールドに取り付けられた電解セル１０の平面図である。図４及び図５に示すように、電解セル１０は、マニホールド２から第１方向に延びている。なお、本実施形態では、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においてマニホールド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。一方、電解セル１０の先端部１０２は、マニホールドなどに固定されていない。すなわち、電解セル１０の先端部１０２は、自由端となっている。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に示したように、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、平面視（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。本実施形態では、図４及び図５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及び図５の左右方向（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４００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には、複数の第１流路４３、及び１つの第２流路４４が形成されている。第１流路４３及び第２流路４４の数は、それぞれ適宜変更可能である。

第１及び第２流路４３、４４は、支持基板４内を第１方向に延びている。なお、第１方向とは、第１及び第２流路４３，４４が延びる方向を意味する。本実施形態では、第１及び第２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流路４３、４４は、支持基板４を貫通している。各第１流路４３は、第２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流路４４は、第２方向において第１流路４３と間隔をあけて配置されている。すなわち、各第１流路４３と第２流路４４とは、第２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流路４３と第２流路４４との間隔は、第１流路４３同士の間隔よりも大きいことが好ましい。

第１流路４３は、その基端部４３１において、供給室２１と連通している。このため、第１流路４３には、供給室２１からＨ_２Ｏ及びＣＯ_２などが供給される。すなわち、第１流路４３の基端部４３１から先端部４３２に向かって、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２などが第１方向に沿って流れる。

第２流路４４は、その先端部４４２において、第１流路４３と連通している。すなわち、第１流路４３の先端部４３２と第２流路４４の先端部４４２は互いに連通している。詳細には、第１流路４３の先端部４３２と、第２流路４４の先端部４４２とは、後述する連通流路３０を介して連通している。また、第２流路４４は、その基端部４４１において、回収室２２と連通している。

第２流路４４には、電解セル１０によって生成されたＨ_２及びＣＯなどが先端部４４２から基端部４４１に向かって流れる。そして、第２流路４４内を第１方向に沿って流れるＨ_２及びＣＯなどは、第２流路４４の基端部４４１から回収室２２に排出される。

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、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、マグネシアアルミナスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、或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流路４３及び第２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を切断した切断面を示している。なお、図６及び図７は、第１流路４３に沿って電解セル１０を切断した切断面である。

図６に示すように、支持基板４は、第１主面４５、第２主面４６、複数の凹部４９、及び複数の桟部５０を有している。各凹部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。凹部４９は、第２方向に延びている。なお、本実施形態では、凹部４９は、平面視（ｚ軸方向視）において、第２流路４４と重複する部分には形成されていない。

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、第２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。

［連通部材］
図４に示すように、電解セル１０は、第１流路４３と第２流路４４とを連通する連通流路３０を有している。なお、連通流路３０は、支持基板４に取り付けられた連通部材３に形成されている。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。

［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、支持基板４の両面において、複数の素子部５が支持されている。なお、第１主面４５及び第２主面４６それぞれに形成される複数の素子部５の数は特に限られず、２以上であればよい。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。以下の説明では、支持基板４の第１主面４５に配置された複数の素子部５に着目する。

複数の素子部５は、第１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（図６参照）によって、互いに電気的に直列に接続されている。

図５に示すように、複数の素子部５が、１つの第１素子部５ａと、３つの第２素子部５ｂとを含んでいる。第１素子部５ａは、第１流路４３内を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の流通方向（以下、「流通方向」と略称する。）において、３つの第２素子部５ｂの上流側に配置される。第１素子部５ａは、複数の素子部５の中で最もマニホールド２に近い。３つの第２素子部５ｂそれぞれは、流通方向において第１素子部５ａの下流側に配置される。３つの第２素子部５ｂは、流通方向において順に並べられる。なお、本実施形態において、流通方向は、第１方向と同じである。

素子部５は、第２方向に延びている。本実施形態において、素子部５は、平面視（ｚ軸方向視）において、第１流路４３と重複する一方で、第２流路４４とは重複していない。すなわち、第１流路４３は、平面視において素子部５と重複するように配置されており、第２流路４４は、平面視において、素子部５と重複しないように配置されている。なお、平面視とは、電解セル１０の厚さ方向に沿って見ることを言う。

支持基板４は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに分けることができる。第１領域Ｒ１は、第１方向視（ｘ軸方向視）において、供給室２１と重複する領域である。第２領域Ｒ２は、第１方向視（ｘ軸方向視）において、回収室２２と重複する領域である。

素子部５は、支持基板４の第１領域Ｒ１に配置されており、第２領域Ｒ２には配置されていない。また、第１流路４３は、支持基板４の第１領域Ｒ１内に形成されており、第２流路４４は、支持基板４の第２領域Ｒ２内に形成されている。

図６及び図７に示すように、各素子部５は、水素極６（カソード）、電解質７、及び酸素極８（アノード）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。各素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。なお、図７に示される第１素子部５ａの基本構成は、図６に示される第２素子部５ｂの基本構成と同じであるが、後述するように水素極活性部６２の構成材料は相違している。

［水素極］
水素極６は、支持基板４及び電解質７の間に配置される。水素極６は、下記（１）式に示す共電解の電気化学反応に従って、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。

［水素極集電部］
水素極集電部６１は、支持基板４上に配置される。水素極集電部６１は、支持基板４及び酸素極８の間に配置される。より詳細には、水素極集電部６１は、支持基板４及び水素極活性部６２の間に配置される。

本実施形態において、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。

水素極集電部６１の主面６１１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の主面６１１とによって、一つの面が構成されている。なお、水素極集電部６１の主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と完全に同一面上になくてもよく、例えば、支持基板４の第１主面４５との間に２０μｍ以下程度の段差があってもよい。

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、酸化ニッケル（ＮｉＯ）及び８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）の複合物、ＮｉＯ及びカルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）の複合物、ＮｉＯ及びスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）の複合物、ＮｉＯ及びガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）の複合物、又は、ＮｉＯ及びサマリウムドープセリア（ＳＤＣ）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、例えば、５０～５００μｍ程度である。

水素極集電部６１は、ＮｉＯを含む成形体を焼成することにより形成することができる。成形体は、所望により酸素イオン伝導性材料及び非酸素イオン伝導性材料の少なくとも一方を含んでいてもよい。水素極集電部６１の成形体において、ＮｉＯの含有率は、例えば５５ｗｔ％以上８５ｗｔ％以下とすることができる。水素極集電部６１の成形体において、酸素イオン伝導性材料及び非酸素イオン伝導性材料の合計含有率は、例えば１５ｗｔ％以上４５ｗｔ％以下とすることができる。

［水素極活性部］
水素極活性部６２は、水素極集電部６１上に配置される。水素極活性部６２は、酸素極８及び支持基板４の間に配置される。より詳細には、水素極活性部６２は、水素極集電部６１及び電解質７の間に配置される。

本実施形態において、水素極活性部６２は、水素極集電部６１の主面６１１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、主面６１１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、水素極集電部６１の主面６１１内に収まっている。

水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性及び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、上記（１）式に示した電気化学反応を担う。

ここで、図７に示された第１素子部５ａの水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成される。

酸素イオン伝導性を有する第１材料としては、ＹＳＺ、ＣＳＺ、ＳｃＳＺ、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳＤＣ）、及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料を用いることができる。

電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料としては、ＳｒＴｉＯ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｍｎ）Ｏ_３系材料、（Ｃｅ，Ｍｎ，Ｆｅ）Ｏ_２、Ｓｒ_２ＦｅＮｂＯ_６、（Ｓｒ，Ｆｅ）ＭｏＯ_６、Ｓｒ_２ＴｉＮｂＯ_６、（Ｌａ，Ｓｒ）ＶＯ_３、及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料を用いることができる。これらのうちＳｒＴｉＯ_３系材料及び（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３系材料が酸化物系材料として特に好ましい。

ＳｒＴｉＯ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３系材料、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ａｌ，Ｍｎ）Ｏ_３系材料は、Ａサイト及びＢサイトの一方又は両方に更に他の元素を含んでいてもよい。例えば、ＳｒＴｉＯ_３系材料としては、（Ｓｒ，Ｐｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３、（Ｓｒ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｃｕ）Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｎｉ）Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｎｉ）Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｌａ）（Ｎｉ，Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｓｒ，Ｙ）ＴｉＯ_３、（Ｓｒ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｍｎ）Ｏ_３、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３などが挙げられる。また、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３系材料としては、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｏ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｒ，Ｎｉ）ＮｉＯ_３系材料などが挙げられる。

一方、図６に示された第２素子部５ｂの水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される。

酸素イオン伝導性を有する第２材料としては、ＹＳＺ、ＣＳＺ、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ、及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料を用いることができる。この第２材料は、上記第１材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料を用いることができる。

上記酸化物系材料は、上記金属系材料に比べて、第１流路４３を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２に混入する不純物（例えば、硫黄（Ｓ））に対する高い耐性を有する。そのため、上記酸化物系材料は、上記金属系材料に比べて、不純物に被毒しても活性低下（劣化）しにくい。

上記金属系材料は、上記酸化物系材料に比べて、電子伝導性が高く、かつ、電極活性も高い。そのため、上記金属系材料は、上記酸化物系材料に比べて、上記（１）式に示した電気化学反応を促進できる。

このように、第２素子部５ｂより上流側の第１素子部５ａでは、不純物耐性が相対的に高い酸化物系材料によって水素極活性部６２が構成されているため、第１素子部５ａの水素極活性部６２が金属系材料によって構成される場合に比べて、不純物に被毒することによって活性低下してしまうことを抑制できる。また、第１素子部５ａより下流側の第２素子部５ｂでは、電極活性が相対的に高い金属系材料によって水素極活性部６２が構成されているため、第２素子部５ｂの水素極活性部６２が酸化物系材料によって構成される場合に比べて、複数の素子部５全体としての電解性能を高めることができる。よって、水素極６の高い電解性能と活性低下抑制とを両立することができる。

第２素子部５ｂの水素極活性部６２に含まれる金属系材料は、Ｎｉであることが好ましい。これにより、第２素子部５ｂの水素極活性部６２における電極活性をより高めることができる。この場合、Ｎｉは酸化しやすい性質を有しているが、第２素子部５ｂより上流側の第１素子部５ａの水素極活性部６２においてＨ_２が生成されるので、第１流路４３を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２に対して、Ｎｉの酸化抑制のためのＨ_２を予め添加しておく必要をなくしたり、或いは、Ｈ_２の添加量を低減させたりすることができる。なお、第１素子部５ａの水素極活性部６２におけるＨ_２の生成量は、第１素子部５ａの水素極活性部６２の体積を変更することで調整可能である。

第１素子部５ａの水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性材料及び酸化物系材料を含む成形体を焼成することにより形成することができる。第１素子部５ａの水素極活性部６２の成形体において、酸素イオン伝導性材料の含有率は、例えば３０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下とすることができる。第１素子部５ａの水素極活性部６２の成形体において、酸化物系材料の含有率は、例えば３０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下とすることができる。

第２素子部５ｂの水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性材料及び金属系材料を含む成形体を焼成することにより形成することができる。第２素子部５ｂの水素極活性部６２の成形体において、酸素イオン伝導性材料の含有率は、例えば３０ｗｔ％以上５２ｗｔ％以下とすることができる。第２素子部５ｂの水素極活性部６２の成形体において、金属系材料の含有率は、例えば４８ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下とすることができる。

水素極活性部６２は、水素極集電部６１より薄くてよい。水素極活性部６２の厚さは、例えば、５～３０μｍ程度である。

なお、水素極６の断面をＳＥＭ（電子顕微鏡）で観察することによって、水素極集電部６１及び水素極活性部６２の界面を特定することができる。

［電解質］
電解質７は、水素極６及び酸素極８の間に配置される。より詳細には、電解質７は、水素極活性部６２及び酸素極８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まで第１方向に延びている。すなわち、第１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、平面視において、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）、およびそれらとＧＤＣなどの酸素イオン伝導材料との複合物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の平面視（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、隣り合う素子部５の一方の素子部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４５、４６のそれぞれにおいて電解セル１０の基端部１０１から先端部１０２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の主面６１１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７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。

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から支持基板４の側面を介して第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。

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。

［集電部材］
図８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の供給室２１にＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を供給する。そして、第１流路４３内を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が素子部５において共電解されて、Ｈ_２、及びＣＯが生成される。このように生成されたＨ_２、及びＣＯは、第２流路４４内を流れて、回収室２２で回収される。

［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。

（ａ）上記実施形態において、電解セル１０は、１つの第１素子部５ａと３つの第２素子部５ｂとを有することとしたが、これに限られない。電解セル１０は、１つの第１素子部５ａと、当該第１素子部５ａより下流側に配置された１つの第２素子部５ｂとを有している限り、第１素子部５ａ及び第２素子部５ｂそれぞれの数及び配置は適宜変更できる。例えば、第１素子部５ａが複数配置されていてもよいし、第２素子部５ｂが１つだけ配置されていてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、電解セル１０によって生成されたガスをマニホールド２に回収するように構成されることとしたが、これに限られない。例えば、電解セル１０の連通部材３を省略して、電解セル１０の先端部１０２に開口する第１流路４３からガスを回収してもよい。

（ｃ）上記実施形態において、電解セル１０は、いわゆる横縞型の電解セルであることとしたが、いわゆる縦縞型の電解セルであってもよい。図９に示すように、縦縞型の電解セル２０は、支持基板４の一主面４５に配置された１つの素子部５ｃを有する。

図１０は、図９のＡ－Ａ断面図である。図１０に示すように、素子部５ｃは、酸素極８と、酸素極８及び支持基板４の間に配置される水素極６ａと、酸素極８及び水素極６ａの間に配置される電解質７とを有する。水素極６ａは、水素極活性部６５及び水素極集電部６６を含む。素子部５ｃのうち水素極活性部６５以外の構成は上記実施形態にて説明したとおりである。

水素極活性部６５は、第１部分６５ａと、第１流路４３内を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の流通方向において第１部分６５ａの下流側に接続される第２部分６５ｂとを含む。第１部分６５ａは、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成される。第２部分６５ｂは、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される。これにより、水素極活性部６５の高い電解性能と活性低下抑制とを両立することができる。第１材料、酸化物系材料、第２材料及び金属系材料については、上記実施形態にて説明したとおりである。第２部分６５ｂに含まれる金属系材料は、Ｎｉであることが好ましい。

図１０に示すように、水素極活性部６５は、第２方向において、第１部分６５ａの下流側端部と第２部分６５ｂの上流側端部とが重なったオーバーラップ部６５ｘを有する。これによって、第１部分６５ａ及び第２部分６５ｂの端面同士が接続される場合に比べて、両者の接続性を向上させることができる。

（ｄ）上記実施形態において、電解セル１０は、いわゆる横縞型の電解セルであることとしたが、いわゆる平板型の電解セルであってもよい。図１１に示すように、平板型の電解セル３０は、電解質７と、電解質７の第1主面７１側に配置された酸素極８と、電解質７の第２主面７２側に配置された水素極６ｂとを有する。水素極６ｂは、水素極活性部６７及び水素極集電部６８を含む。電解セル３０は、酸素極８と電気的に接続されたインターコネクタと、水素極６ｂと電気的に接続されたインターコネクタとの間に配置される。電解質７は、緻密な絶縁性接合材を介してセパレータに接合されており、電解質７の第１主面７１側には酸素が流れる流路Ｌ１が形成され、電解質７の第２主面７２側にはＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が流れる流路Ｌ２が形成される。

図１１に示すように、水素極活性部６７は、第１部分６７ａと、流路Ｌ２内を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２の流通方向において第１部分６７ａの下流側に接続される第２部分６７ｂとを含む。第１部分６７ａは、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成される。第２部分６７ｂは、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される。これにより、水素極活性部６７の劣化抑制と活性低下抑制とを両立することができる。第１材料、酸化物系材料、第２材料及び金属系材料については、上記実施形態にて説明したとおりである。第２部分６７ｂに含まれる金属系材料は、Ｎｉであることが好ましい。

図１１に示すように、水素極活性部６７は、第１部分６７ａの下流側端部と第２部分６７ｂの上流側端部とが重なったオーバーラップ部６７ｘを有する。これによって、第１部分６７ａ及び第２部分６７ｂの端面同士が接続される場合に比べて、両者の接続性を向上させることができる。

なお、平板型の電解セル３０は、電解質７が支持体としての機能を担う電解質支持型セルであってもよいし、水素極６ｂが支持体としての機能を担う水素極支持型セルであってもよいし、或いは、水素極６ｂ又は酸素極８に接合された金属基板が支持体としての機能を担うメタルサポート型セルであってもよい。電解セル３０が電解質支持型セルである場合、電解質７は、水素極６ｂ及び酸素極８より厚くてよい。電解セル３０が水素極支持型セルである場合、水素極６ｂは、電解質７及び酸素極８より厚くてよい。

（ｅ）上記実施形態において、連通流路３０は連通部材３に形成されていたが、連通流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、連通流路３０は、支持基板４内に形成されていてもよい。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流路４３と第２流路４４とが連通されている。

（ｆ）上記実施形態において、電解セル１０では、水素極６に二酸化炭素及び水蒸気を供給して共電解することによって一酸化炭素及び水素を生成することとしたが、水素極６に水蒸気を供給して電解することによって水素を生成してもよい。この場合、水蒸気が第１流路４３に供給され、水素が第２流路４４から回収される。

２ ：マニホールド
２１ ：供給室
２２ ：回収室
４ ：支持基板
５ ：素子部
５ａ ：第１素子部
５ｂ ：第２素子部
６ ：水素極
６１ ：水素極集電部
６２ ：水素極活性部
７ ：電解質
８ ：酸素極
８１ ：酸素極活性部
８２ ：酸素極集電部
１０ ：電解セル
４３ ：第１流路
４４ ：第２流路
１００ ：セルスタック装置

Claims (10)

1. 水蒸気及び二酸化炭素が流れる第１流路が内部に形成された支持基板と、
   前記支持基板に支持される第１素子部と、
   前記支持基板に支持され、前記第１流路内を流れる水蒸気及び二酸化炭素の流通方向において前記第１素子部の下流側に配置される第２素子部と、
   を備え、
   前記第１素子部及び前記第２素子部それぞれは、酸素極と、前記酸素極及び前記支持基板の間に配置される水素極活性部と、前記酸素極及び前記水素極活性部の間に配置される電解質とを有し、
   前記第１素子部の前記水素極活性部は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成され、
   前記第２素子部の前記水素極活性部は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される、
   電解セル。
2. 水蒸気が流れる第１流路が内部に形成された支持基板と、
   前記支持基板に支持される第１素子部と、
   前記支持基板に支持され、前記第１流路内を流れる水蒸気の流通方向において前記第１素子部の下流側に配置される第２素子部と、
   を備え、
   前記第１素子部及び前記第２素子部それぞれは、酸素極と、前記酸素極及び前記支持基板の間に配置される水素極活性部と、前記酸素極及び前記水素極活性部の間に配置される電解質とを有し、
   前記第１素子部の前記水素極活性部は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成され、
   前記第２素子部の前記水素極活性部は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される、
   電解セル。
3. 前記金属系材料は、ニッケルである、
   請求項１又は２に記載の電解セル。
4. 支持基板と、
   前記支持基板内に形成され、水蒸気及び二酸化炭素が流れる第１流路と、
   前記支持基板に支持される素子部と、
   を備え、
   前記素子部は、酸素極活性部と、前記酸素極活性部及び前記支持基板の間に配置される水素極活性部と、前記酸素極活性部及び前記水素極活性部の間に配置される電解質とを有し、
   前記水素極活性部は、第１部分と、前記第１流路内を流れる水蒸気及び二酸化炭素の流通方向において前記第１部分の下流側に接続される第２部分とを含み、
   前記第１部分は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成され、
   前記第２部分は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される、
   電解セル。
5. 支持基板と、
   前記支持基板内に形成され、水蒸気が流れる第１流路と、
   前記支持基板に支持される素子部と、
   を備え、
   前記素子部は、酸素極活性部と、前記酸素極活性部及び前記支持基板の間に配置される水素極活性部と、前記酸素極活性部及び前記水素極活性部の間に配置される電解質とを有し、
   前記水素極活性部は、第１部分と、前記第１流路内を流れる水蒸気の流通方向において前記第１部分の下流側に接続される第２部分とを含み、
   前記第１部分は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成され、
   前記第２部分は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される、
   電解セル。
6. 電解質と、
   前記電解質の第１主面側に配置された酸素極活性部と、
   前記電解質の第２主面側に配置された水素極活性部と、
   を備え、
   前記水素極活性部は、第１部分と、前記電解質の第２主面側の流路内を流れる水蒸気及び二酸化炭素の流通方向において前記第１部分の下流側に接続される第２部分とを含み、
   前記第１部分は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成され、
   前記第２部分は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される、
   電解セル。
7. 電解質と、
   前記電解質の第１主面側に配置された酸素極活性部と、
   前記電解質の第２主面側に配置された水素極活性部と、
   を備え、
   前記水素極活性部は、第１部分と、前記電解質の第２主面側の流路内を流れる水蒸気の流通方向において前記第１部分の下流側に接続される第２部分とを含み、
   前記第１部分は、酸素イオン伝導性を有する第１材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する酸化物系材料とによって構成され、
   前記第２部分は、酸素イオン伝導性を有する第２材料と、電子伝導性を有し、かつ、電極触媒として機能する金属系材料とによって構成される、
   電解セル。
8. 前記金属系材料は、ニッケルである、
   請求項４乃至７のいずれかに記載の電解セル。
9. 前記水素極活性部は、前記第１部分と前記第２部分とが重なったオーバーラップ部を有する、
   請求項４乃至７のいずれかに記載の電解セル。
10. 供給室及び回収室を有するマニホールドと、
    前記マニホールドに支持される、請求項１，２，４，５のいずれかに記載の電解セルと、
    を備え、
    前記支持基板は、先端部において前記第１流路と連通する第２流路を有し、
    前記第１流路は、前記供給室と連通し、
    前記第２流路は、前記回収室と連通する、
    セルスタック装置。

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