JP7431154B2 - 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム - Google Patents
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Description
このような特許文献1の電気化学素子は、電気化学反応部が筒状支持体に支持されているので、電気化学素子全体の機械的強度を向上できる。
内部に内部流路を有する導電性の板状支持体を備え、
前記板状支持体は、当該板状支持体の少なくとも一部において、当該板状支持体の内側である前記内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、少なくとも膜状の電極層と膜状の電解質層と膜状の対極電極層とを記載順に有する電気化学反応部と、を有し、
前記板状支持体は、
前記内部流路内に、同方向に気体が通流する複数の流路を形成しており、
第一板状体と、第二板状体と、前記内部流路に収容されており、前記複数の流路を形成する複数流路形成体とを有し、
前記複数流路形成体は、長手方向の任意の箇所において形状が変わるように当該長手方向において分割されている点にある。
本特徴構成によれば、複数流路形成体により内部流路に複数の流路が形成されている。気体は、複数の流路に沿って流れることによる整流作用により、各流路を流れる気体の流速が、流れ交差方向の任意の複数地点において概ね一定となる。よって、流れ交差方向の中央部及び両端部を含む任意の複数地点において、電気化学反応部に流通される気体の量を概ね一定とし、電気化学素子の反応効率を向上できる。
内部に内部流路を有する導電性の板状支持体を備え、
前記板状支持体は、当該板状支持体の少なくとも一部において、当該板状支持体の内側である前記内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、少なくとも膜状の電極層と膜状の電解質層と膜状の対極電極層とを記載順に有する電気化学反応部と、を有し、
前記板状支持体は、
前記内部流路内に、同方向に気体が通流する複数の流路を形成しており、
第二板状体と、少なくとも前記内部流路に複数の流路を形成している第一板状体とを含み、
前記第一板状体は、長手方向の任意の箇所において形状が変わるように当該長手方向において分割されて一連に形成されている点にある。
本特徴構成によれば、例えば第二板状体に、少なくとも前記内部流路に複数の流路を形成している第一板状体を組み合わせることで容易に複数の流路を形成できる。
本特徴構成によれば、分割されて形成された一連の第一板状体によって第二板状体が支持されるため、第二板状体の機械的強度が高まる。その結果、第二板状体を含む板状支持体に支持される電気化学素子の曲げ強度が高まる。
前記板状支持体の少なくとも一部が波状と成すように構成されている点にある。
前記複数流路形成体の少なくとも一部が波状と成すように構成されている点にある。
前記第一板状体が前記第二板状体と接触する接触部と、前記第一板状体が前記第二板状体と接触しない非接触部とによって前記内部流路内に前記複数の流路が形成されている点にある。
前記板状支持体は、長手方向に延びた板状に形成されており、
前記複数の流路は、前記長手方向に沿って延びている点にある。
前記気体通流許容部は、前記板状支持体の少なくとも一部を貫通する複数の貫通孔が設けられている孔領域である点にある。
前記複数の流路と一括して連通し前記気体が流通するマニホールドをさらに備える点にある。
複数の上記電気化学素子を有し、一の電気化学素子と他の電気化学素子とが電気的に接続される形態で、かつ前記板状支持体同士を対向させる形態で、複数の前記電気化学素子を並列に配置してなる点にある。
つまり、電気化学モジュールと燃料変換器を有し電気化学モジュールと燃料変換器の間で還元性成分を含有するガスを流通する燃料供給部とを有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備え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。
つまり、電気化学モジュールと燃料変換器とを有し電気化学モジュールと燃料変換器との間で還元性成分を含有するガスを流通する燃料供給部を有するので、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等より改質器などの燃料変換器により水素を生成する構成とすると、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備え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。
水蒸気と二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通される場合は上記電気分解により電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。燃料供給部により、この燃料変換器が生成した炭化水素等を電気化学モジュールに流通したり、本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することができる。
上記電気化学装置と、電気化学装置もしくは燃料変換器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。
したがって、部品点数が少なく、作製容易な電気化学素子積層体を、取り扱い容易な構造の電気化学素子により実現でき。また、電気化学素子積層体を利用した電気化学モジュール、電気化学装置やエネルギーシステムを安価に提供することができた。
以下、実施形態に係るエネルギーシステム、電気化学装置、電気化学モジュールおよび電気化学素子について図面に基づいて説明する。
図1には、エネルギーシステムおよび電気化学装置の概要が示されている。
エネルギーシステムは、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としての熱交換器23とを有する。
電気化学装置は、電気化学モジュールMと、脱硫器1と改質器(改質器等の燃料変換器、以下、改質器と記載する。)4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流通する燃料供給部と、電気化学モジュールMから電力を取り出すインバータ(電力変換器の一例)8とを有する。
次に、図2を用いて電気化学モジュールMについて説明する。電気化学モジュールMは、電気化学素子Eを複数有し、一の電気化学素子Eの電気化学反応部43における筒状支持体31とは反対側の面と、他の電気化学素子Eの筒状支持体31とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の筒状支持体31同士が互いに対向する形態で、複数の電気化学素子Eを並列配置してなる。
図3~5に電気化学素子Eの概略構成が示されている。電気化学素子Eは、導電性を有し、内部に改質ガス通流部36が形成された筒状支持体31と、筒状支持体31一方の面に設けられ、電気化学反応により発電を行う電気化学反応部43とを有する。改質ガス通流部36を流れる改質ガスは、筒状支持体31の後述の貫通孔38を介して電気化学反応部43に流通される。電気化学反応部43が筒状支持体31に支持されることで、電気化学素子E全体の機械的強度が向上する。
筒状支持体31(板状支持体)は、全体として平板あるいは平棒状であり、長方形の金属支持体32と、長手方向に直交する断面がU字状のU字部材33(第一板状体、内部流路形成体)と、蓋部34とを有する。金属支持体32の長辺とU字部材33の長辺(U字の2つの頂点に対応する辺)とが接合され、一方の端部が蓋部34で塞がれている。これにより、内部空間を有し全体として平板あるいは平棒状の筒状支持体31が構成される。金属支持体32は、筒状支持体31の中心軸に対して平行に配置される。
図4および図5に示されるように、電気化学反応部43は、金属支持体32の上に形成された電極層44と、電極層44の上に形成された中間層45と、中間層45の上に形成された電解質層46とを有する。そして電気化学反応部43は、更に、電解質層46の上に形成された反応防止層47と、反応防止層47の上に形成された対極電極層48とを有する。つまり対極電極層48は電解質層46の上に形成され、反応防止層47は電解質層46と対極電極層48との間に形成されている。電極層44は多孔質であり、電解質層46は緻密である。なお電気化学素子Eにおいて電気化学反応部43の側方の全部または一部を覆う部材は設けられず、電気化学反応部43の側方は開放されている。
金属支持体32は、電極層44、中間層45および電解質層46等を支持して電気化学素子Eの強度を保つ。つまり金属支持体32は、電気化学素子Eを支持する支持体としての役割を担う。
金属酸化物層は種々の手法により形成されうるが、金属支持体32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。また、金属支持体32の表面に、金属酸化物層をスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、スパッタリング法やPLD法等のPVD法、CVD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、金属酸化物層は導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
電極層44は、図4に示すように、金属支持体32の表側の面であって貫通空間が設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、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。貫通空間が設けられた領域の全体が、電極層44に覆われている。つまり、貫通空間は金属支持体32における電極層44が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通空間が電極層44に面して設けられている。
すなわち電極層44は、多孔質な層として形成される。電極層44は、例えば、その緻密度が30%以上80%未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、(1-空孔率)と表すことができ、また、相対密度と同等である。
中間層45(挿入層)は、図4に示すように、電極層44を覆った状態で、電極層44の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは4μm~25μm程度とすることができる。このような厚さにすると、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、十分な性能を確保することが可能となる。中間層45の材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリニウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
電解質層46は、図4に示すように、電極層44および中間層45を覆った状態で、中間層45の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは電解質層46は、図4に示すように、中間層45の上と金属支持体32の上とにわたって(跨って)設けられる。このように構成し、電解質層46を金属支持体32に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
反応防止層47は、電解質層46の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは3μm~15μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層47の材料としては、電解質層46の成分と対極電極層48の成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層47の材料として、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有し、これら元素の含有率の合計が1.0質量%以上10質量%以下であるとよい。反応防止層47を電解質層46と対極電極層48との間に導入することにより、対極電極層48の構成材料と電解質層46の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Eの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層47の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体32の損傷を抑制し、また、金属支持体32と電極層44との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Eを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
対極電極層48は、電解質層46もしくは反応防止層47の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、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、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層48の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層48が、La、Sr、Sm、Mn、CoおよびFeからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層48は、カソードとして機能する。
以上のように電気化学素子Eを構成することで、電気化学素子を燃料電池(電気化学発電セル)として機能させる場合には、電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、金属支持体32の裏側の面から貫通空間を通じて水素を含む燃料ガスを電極層44へ流通し、電極層44の対極となる対極電極層48へ空気を流通し、例えば、500℃以上900℃以下の温度で作動させる。そうすると、電解質層46に酸素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、対極電極層48において空気に含まれる酸素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46を通って電極層44へ移動する。電極層44においては、流通された燃料ガスに含まれる水素H2が酸素イオンO2-と反応し、水H2Oと電子e-が生成される。電解質層46に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層44において流通された燃料ガスに含まれる水素H2が電子e-を放出して水素イオンH+が生成される。その水素イオンH+が電解質層46を通って対極電極層48へ移動する。対極電極層48において空気に含まれる酸素O2と水素イオンH+、電子e-が反応し水H2Oが生成される。以上の反応により、電極層44と対極電極層48との間に起電力が発生する。この場合、電極層44はSOFCの燃料極(アノード)として機能し、対極電極層48は空気極(カソード)として機能する。
次に、電気化学素子Eの製造方法について説明する。
電極層形成ステップでは、金属支持体32の表側の面の貫通空間が設けられた領域より広い領域に電極層44が薄膜の状態で形成される。金属支持体32の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。電極層44の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体32の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
なお、中間層45を有する電気化学素子を形成する場合では、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を省いたり、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を後述する中間層平滑化工程や中間層焼成工程に含めることもできる。
なお、電極層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体32の表面に金属酸化物層(拡散抑制層)が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層(拡散抑制層)が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属支持体32の損傷を抑制可能な1100℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体32の表面に金属酸化物層(拡散抑制層)が形成されても良い。
中間層形成ステップでは、電極層44を覆う形態で、電極層44の上に中間層45が薄層の状態で形成される。中間層45の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体32の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
まず、中間層45の材料粉末と溶媒(分散媒)とを混合して材料ペーストを作成し、金属支持体32の表側の面に塗布する。そして中間層45を圧縮成形し(中間層平滑化工程)、1100℃以下で焼成する(中間層焼成工程)。中間層45の圧延は、例えば、CIP(Cold Isostatic Pressing 、冷間静水圧加圧)成形、ロール加圧成形、RIP(Rubber Isostatic Pressing)成形などにより行うことができる。また、中間層45の焼成は、800℃以上1100℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属支持体32の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層45を形成できるためである。また、中間層45の焼成を1050℃以下で行うとより好ましく、1000℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層45の焼成温度を低下させる程に、金属支持体32の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Eを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
電解質層形成ステップでは、電極層44および中間層45を覆った状態で、電解質層46が中間層45の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層46の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体32の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
反応防止層形成ステップでは、反応防止層47が電解質層46の上に薄層の状態で形成される。反応防止層47の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体32の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層47の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層47の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
対極電極層形成ステップでは、対極電極層48が反応防止層47の上に薄層の状態で形成される。対極電極層48の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属支持体32の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
なお、図5では、分割体70は、下端EDから反応排ガス排出口37が設けられた上端EUまで延びている。ただし、分割体70は、反応排ガス排出口37からの気体の排出を阻害しない程度に、反応排ガス排出口37とは接触しないように、反応排ガス排出口37から離隔した位置まで延びるように形成されているのが好ましい。
一方、ブロア5から収納容器10に流通された空気が、電気化学素子Eの気体供給空間Sに到達する。そして気体供給空間Sから空気が、集電部材26および接着材29を通って、あるいは電気化学反応部43の側方から直接、電気化学反応部43の対極電極層48に到達する。
まず、金属支持体32に複数の貫通孔38を形成する(♯1)。貫通孔38の形成は、例えばレーザー加工等により行うことができる。これにより、金属支持体32に選択的に気体通流許容部P2(孔領域P2)と気体通流禁止部P1とが設けられる。
(1)上記実施形態の電気化学素子Eでは、電気化学反応部43が、改質ガス通流部36である内部空間を有する筒状支持体31に配置されている。しかし、電気化学反応部43は筒状支持体31に支持される形態でなくてもよい。
ここで、分割流路Aにはガスマニホールド17から改質ガスが流通されるように、分割流路Aとガスマニホールド17とが接続されている。よって、分割流路Aでは、下端EDから上端EUに向かって改質ガスが流れる。分割流路Aと電極層44とが金属支持体32を介して対向しており、分割流路Aを流れる改質ガスが金属支持体32の貫通孔38を介して電極層44に流通される。一方、分割流路Bにはブロア5から空気が流通され、下端EDから上端EUに向かって空気が流れる。また、一の電気化学素子E1において、電気化学反応部43の表裏の面のうち、金属支持体32と反対側の面に、接着材29によって集電部材26が接着されている。
このような構成により、電気化学反応部43には改質ガス及び空気が流通されて電気化学反応が生じ、発電が行われる。
図10には、集電部材26を介して、電気化学素子E1と別の電気化学素子E2とが接続されている例が示されているが、集電部材26を省略しても良い。この場合も、分割流路Bにはブロア5(図1)から空気が流通され、下端EDから上端EUに向かって空気が流れる。
ここで、例えば、分割流路Aの幅d3及び分割流路Bの幅d4は概ね同一であってもよいし、幅d3が幅d4よりも大きくてもよい。幅d3が大きい場合には、分割流路A内を流れる改質ガスの量を多くし、発電効率を大きくすることができ好ましい。
その他、断面視の形状が長方形状、正方形状及び三角形状等の流路を有する分割体70であってもよい。
しかし、複数の分割流路Aに沿って改質ガスが流れることによる整流作用がある程度確保されるのであれば、分割体70の山の頂部71と、金属支持体32の下面32bとの間には、少なくとも一部において隙間が形成されていてもよい。この場合、分割体70の山及び谷によって複数の分割流路Aが形成されているものの、隙間において少なくとも一部の分割流路Aどうしが連通しており、それぞれが完全に分離されているわけではない。
例えば改質ガスを分割流路AおよびBに流通する場合、図13及び図14に示すように、分割体70は、長手方向に例えば2つの異なる形状の分割流路が接続されて形成されている。図13では、紙面手前側の分割体70aと、紙面奥側の分割体70bとは、それぞれの分割体70aの山及び谷の断面視における位相が概ね180°異なる。これにより、分割体70aの例えば分割流路B1、B2、B3、B4は、分割体70bの例えば分割流路A1a、A2a、A3a、A4aに対応づけられて配置されている。よって、分割体70aの分割流路B1に沿って流れた改質ガスは、分割体70bの分割流路A1aに送り込まれ、分割流路A1aに沿って流れる。同様に、分割体70aの分割流路B2、B3、B4に沿って流れた改質ガスは、分割体70bの分割流路A2a、A3a、A4aに送り込まれ、分割流路A2a、A3a、A4aに沿って流れる。
あるいは、金属支持体32及びU字部材33の両方に貫通孔が設けられていてもよい。この場合、分割流路Aを流れる改質ガスを金属支持体32の貫通孔を介して電極層44に流通し、分割流路Bを流れる空気をU字部材33に形成された貫通孔を介して、隣接する電気化学素子Eの対極電極層48に流通できる。
つまり、上記実施形態では、電気化学反応部43を燃料電池として動作させ、電極層44に水素ガスが流通され、対極電極層48に酸素ガスが流通される。そうすると、対極電極層48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46を通って電極層44へ移動する。電極層44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44と対極電極層48との間に起電力が発生し、発電が行われる。
図17中の熱交換器24を、燃料変換器25で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化する排熱利用部として動作させるとともに、図17中の熱交換器23を、電気化学素子Eによって生ずる排熱と水蒸気および二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることにより、エネルギー効率を高めることが出来る。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置100及びエネルギーシステムZ等を提供することができる。
また、後述しているが、第一板状体である分割体70が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。同様に、第二板状体である金属支持体32が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。
また、第一板状体であるU字部材33が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。また、後述しているが、第一板状体である分割体70が、一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。さらに、第二板状体である金属支持体32が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。
図16の分割体70は、一部が波板状に、残りが平板状に構成されている。図16に示すように、長手方向の下端ED側に平板状部分PDが設けられており、長手方向の上端EU側に平板状部分PUが設けられている。そして、図16の分割体70は、平板状部分PDと平板状部分PUとの間に、波板状部分Wを有している。波板状部分Wは、改質ガス通流部36を複数の分割流路Aに分割している。
このような構成により、構造体130は、平板状部分PDに導入された改質ガスを、平板状部分PDに一時的に貯留させつつ、平板状部分PDから複数の分割流路Aに概ね均一に供給する。よって、各分割流路A内を通流する改質ガスの分布、つまり、改質ガスの流速、流量及び圧力等が概ね一定になる。これにより、電気化学反応部において、改質ガスが不足する部分と、過剰に改質ガスが通流される部分との差を小さくし、電気化学素子全体において電気化学反応を行わせて、改質ガスの利用率を向上して電気化学素子の反応効率を向上できる。
なお、構造体130は、上端EU側に平板状部分PUにも設けることができる。
これとは異なり、気体通流許容部P2では、金属支持体32を厚み方向に貫通する前記複数の貫通孔38の代わりに、厚み方向に概ね直交する方向に沿って延びる独立孔が形成されてもよい。当該独立孔は、延在する方向の少なくともいずれかの地点において金属支持体32を厚み方向に貫通している。例えば、当該独立孔は、各分割流路Aそれぞれに対応して当該厚み方向に概ね直交する方向に延びており、かつ延在する方向の少なくともいずれかの地点で金属支持体32を貫通して分割流路Aに連通している。そして、各独立孔は、隣接する独立孔とは連通していない。
また、気体通流許容部P2では、前記複数の貫通孔38の代わりに、金属支持体32の少なくとも一部の領域において、三次元(網目状)連続孔が形成されてもよい。例えば、当該連続孔は、多孔質性の金属支持体32において、各孔が連続的に連結されて形成される。当該連続孔は、連続孔のいずれかの地点において金属支持体32を貫通している。
31 :筒状支持体
32 :金属支持体
32a :上面
32b :下面
33 :U字部材
36 :改質ガス通流部
38 :貫通孔
43 :電気化学反応部
44 :電極層
45 :中間層
46 :電解質層
47 :反応防止層
48 :対極電極層
70 :分割体
A :分割流路
B :分割流路
E :電気化学素子
E3 :電気化学素子
ED :下端
EU :上端
Ea :下端
P1 :気体通流禁止部
P2 :気体通流許容部
Claims (14)
- 内部に内部流路を有する導電性の板状支持体を備え、
前記板状支持体は、当該板状支持体の少なくとも一部において、当該板状支持体の内側である前記内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、少なくとも膜状の電極層と膜状の電解質層と膜状の対極電極層とを記載順に有する電気化学反応部と、を有し、
前記板状支持体は、
前記内部流路内に、同方向に気体が通流する複数の流路を形成しており、
第一板状体と、第二板状体と、前記内部流路に収容されており、前記複数の流路を形成する複数流路形成体とを有し、
前記複数流路形成体は、長手方向の任意の箇所において形状が変わるように当該長手方向において分割されている、電気化学素子。 - 内部に内部流路を有する導電性の板状支持体を備え、
前記板状支持体は、当該板状支持体の少なくとも一部において、当該板状支持体の内側である前記内部流路と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部と、前記気体通流許容部の全部又は一部を被覆する状態で、少なくとも膜状の電極層と膜状の電解質層と膜状の対極電極層とを記載順に有する電気化学反応部と、を有し、
前記板状支持体は、
前記内部流路内に、同方向に気体が通流する複数の流路を形成しており、
第二板状体と、少なくとも前記内部流路に複数の流路を形成している第一板状体とを含み、
前記第一板状体は、長手方向の任意の箇所において形状が変わるように当該長手方向において分割されて一連に形成されている、電気化学素子。 - 前記板状支持体の少なくとも一部が波状と成すように構成されている、請求項2に記載の電気化学素子。
- 前記複数流路形成体の少なくとも一部が波状と成すように構成されている、請求項1に記載の電気化学素子。
- 前記第一板状体が前記第二板状体と接触する接触部と、前記第一板状体が前記第二板状体と接触しない非接触部とによって前記内部流路内に前記複数の流路が形成されている、請求項2または3に記載の電気化学素子。
- 前記板状支持体は、長手方向に延びた板状に形成されており、
前記複数の流路は、前記長手方向に沿って延びている、請求項1~5のいずれか一項に記載の電気化学素子。 - 前記気体通流許容部は、前記板状支持体の少なくとも一部を貫通する複数の貫通孔が設けられている孔領域である、請求項1~5のいずれか一項に記載の電気化学素子。
- 前記複数の流路と一括して連通し前記気体が流通するマニホールドをさらに備える、請求項1~7のいずれか一項に記載の電気化学素子。
- 請求項1~8の何れか一項に記載の複数の電気化学素子を有し、一の電気化学素子と他の電気化学素子とが電気的に接続される形態で、かつ前記板状支持体同士を対向させる形態で、複数の前記電気化学素子を並列に配置してなる、電気化学モジュール。
- 請求項1~8の何れか一項に記載の電気化学素子もしくは請求項9に記載の電気化学モジュールと燃料変換器とを少なくとも有し、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールと前記燃料変換器との間で還元性成分を含有するガスを流通する電気化学装置。
- 請求項1~8の何れか一項に記載の電気化学素子もしくは請求項9に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは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少なくとも有する電気化学装置。
- 請求項1~8の何れか一項に記載の電気化学素子もしくは請求項9に記載の電気化学モジュールと、燃料変換器と、電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出す、あるいは電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを有する電気化学装置。
- 請求項1~8の何れか一項に記載の電気化学素子もしくは請求項9に記載の電気化学モジュールに対して燃料変換器からの還元性成分ガスを流通する、あるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから燃料変換器に還元性成分ガスを流通する燃料供給部を有する電気化学装置。
- 請求項10~13のいずれか一項に記載の電気化学装置と、電気化学装置もしくは燃料変換器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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