JP7444683B2 - 金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、および金属支持体の製造方法 - Google Patents
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Description
この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、主に金属支持型SOFCに使用される金属支持体において、貫通孔に対してスムーズにガスが流入若しくは流出するようにして、発電効率を向上したSOFCシステムを実現する点にある。
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有する点にある。
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第1傾斜貫通孔を有する点にある。
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第2傾斜貫通孔を有する点にある。
前記傾斜貫通孔として、第1傾斜貫通孔と第2傾斜貫通孔を有すると共に、
前記第1傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜しており、
前記第2傾斜貫通孔が、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している点にある。
また、金属支持体の裏側面に沿って設けられたガス流路において、上記第2傾斜貫通孔から流れ方向を変更して当該ガス流路へ流出するガスの流れ方向の変更角度が90°未満と小さくなるので、第2傾斜貫通孔からガス流路へのガスの流出をスムーズに行わせることができる。よって、電極層から第2傾斜貫通孔を通じてガス流路へのガスの排出を一層スムーズに行うことができる。
更に、上述した乱流促進体の少なくとも一部の表面を上記改質反応部とすれば、これまで説明してきた乱流促進体によるガス流路内のガス流の制御に加えて、この乱流促進体による改質反応(上記の例では水蒸気改質)を行うことができる。
このことで、電気化学素子もしくは電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、改質器などの燃料変換器によって、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から水素を生成し、燃料電池に流通させる構成とすると、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。
電気化学素子もしくは電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、例えば、水の電解反応によって生成する水素を燃料変換器で一酸化炭素や二酸化炭素と反応させてメタンなどに変換する電気化学装置とすることができるが、このような構成にすると、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。
例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、高性能な電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしくは電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。
図1に示す電気化学素子Eは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、以下「SOFC」と呼ぶ場合がある。)の構成要素である燃料電池単セルとして用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層Bから見てカソード電極層Cの側を「上」または「上側」、アノード電極層Aの側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属支持体1におけるアノード電極層Aが形成されている側の面を表側面1a、反対側の面を裏側面1bという。
また、アノード電極層Aは単に「電極層」と呼ばれる場合もあり、カソード電極層Cは「対極電極層」と呼ばれる場合もある。
電気化学素子Eは、図1に示すとおり、金属支持体1と、金属支持体1の上に形成されたアノード電極層Aと、アノード電極層Aの上に形成された中間層yと、中間層yの上に形成された電解質層Bとを有する。そして電気化学素子Eは、更に、電解質層Bの上に形成された反応防止層zと、反応防止層zの上に形成されたカソード電極層Cとを有する。つまりカソード電極層Cは電解質層Bの上に形成され、反応防止層zは電解質層Bとカソード電極層Cとの間に形成されている。アノード電極層Aは多孔質であり、電解質層Bは緻密である。
このガス流路Lの一方の端部(図14における上端側)が蓋部74で塞がれている。蓋部74には、ガス流路Lを流れた反応排ガスを外部(図14における燃焼部36)排出する排ガス排出口77が設けられる。蓋部74が設けられる端部とは逆側(図14における下端側)はガスマニホールド17に開口しており、ガス流路Lに対する改質ガスの入口とされる。
金属支持体1は、アノード電極層A、中間層yおよび電解質層B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1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。
拡散抑制層x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。また、金属支持体1の表面に、拡散抑制層x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、拡散抑制層xは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
図1に示すように、金属支持体1は1枚の金属の板により構成されており、その金属支持体1において、アノード電極層Aが設けられる表側面1aから裏側面1bに貫通する複数の貫通孔2が形成されている。
貫通孔2は、断面が円形の孔である。なお貫通孔2の断面形状は、円形や略円形の他、矩形や三角形、多角形なども可能であり、貫通孔2が形成できれば、金属支持体1としての機能を保てる範囲で種々の形状とすることができる。この貫通孔2は、レーザー加工、パンチング加工またはエッチング加工のいずれか、もしくは、それらの組合せによって、金属支持体1に形成されている。この孔の中心軸は、金属支持体1に対して直交している。
これら実施例に示すように、金属支持体1には、貫通孔2として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している第1傾斜貫通孔2A,2At及び第2傾斜貫通孔2B,2Btと、厚み方向に対して中心軸が平行な平行貫通孔2Cなどが設けられている。
尚、図2~図11において、ガスマニホールド17側の下端部を左側とし、燃焼部36側の上端部を右側として、ガス流路Lにおけるガス通流方向Fを左側から右側へ向かう方向として、金属支持体1及びガス流路Lの断面状態を示している。
一方、金属支持体1において上記第2傾斜貫通孔2B,2Btが設けられていることにより、ガス流路Lにおいて、第2傾斜貫通孔2B,2Btから流れ方向を変更して当該ガス流路Lへ流出する水蒸気(H2O)の流れ方向の変更角度が90°未満と小さくなるので、第2傾斜貫通孔2B,2Btからガス流路Lへの水蒸気の流出がスムーズに行われる。
一方、図7に示す配置例では、一の第1傾斜貫通孔2Atとそれの直下流側に位置する一の第2傾斜貫通孔2Btからなる一対の傾斜貫通孔2At,2Btが、ガス通流方向Fに沿って複数配置されている。
図8-11に示す例では、ガス流路Lに、当該ガス流路1内の流れを乱す乱流促進体80が設けられている。この構成により、ガス流路1内の改質ガス流が乱されて、ガス流路1内に形成される主流に対して、主流方向とは異なった方向(例えば主流に対して直交する流れ)の流れが形成される。結果、貫通孔2を通じた電極層Aへの改質ガスの供給が効率的に行われる。尚、図示では、ガス流路Lに球体を複数充填して乱流促進体80とする例を示しているが、ガス流路Lに網状体を配置して乱流促進体するなど、乱流促進体の形状等については適宜改変することができる。
また、図8,9の例に示すようにガス流路L全体に乱流促進体80を配置したり、図10.11の例に示すようにガス流路Lの一部(例えば下流側の領域)に乱流促進体80を配置したりなど、ガス流路Lにおける乱流促進体80の配置範囲については適宜設定することができる。
アノード電極層Aは、図1に示すように、金属支持体1の表側面1aであって複数の貫通孔2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、高価なアノード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。複数の貫通孔2が設けられた領域の全体が、アノード電極層Aに覆われている。つまり、複数の貫通孔2は金属支持体1におけるアノード電極層Aが形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔2がアノード電極層Aに面して設けられている。
すなわちアノード電極層Aは、多孔質な層として形成される。アノード電極層A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y(挿入層)は、図1に示すように、アノード電極層Aを覆った状態で、アノード電極層A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y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Bは、図1に示すように、アノード電極層Aおよび中間層yを覆った状態で、中間層y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Bは、図1に示すように、中間層yの上と金属支持体1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Bを金属支持体1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zは、電解質層B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zの材料としては、電解質層Bの成分とカソード電極層C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z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zを電解質層Bとカソード電極層Cとの間に導入することにより、カソード電極層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、電気化学素子Eの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層z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1の損傷を抑制し、また、金属支持体1とアノード電極層A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。
カソード電極層Cは、電解質層Bもしくは反応防止層z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、高価なカソード電極層C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。カソード電極層C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。特にカソード電極層C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カソード電極層C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、この電気化学素子Eを燃料電池単セルとして機能させる場合には、電気化学素子EをSOFCの単セルとして用いることができる。例えば、金属支持体1の裏側面1bから複数の貫通孔2を通じて水素を含む燃料ガスをアノード電極層Aへ流通し、アノード電極層Aの対極となるカソード電極層C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、カソード電極層C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Bを通ってアノード電極層Aへ移動する。アノード電極層Aにおいては、供給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(水蒸気)と電子e-が生成される。
電解質層Bに水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、アノード電極層A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Bを通ってカソード電極層Cへ移動する。カソード電極層C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、アノード電極層Aとカソード電極層Cとの間に起電力が発生する。この場合、アノード電極層AはSOFCの燃料極(アノード)として機能し、カソード電極層C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。
アノード電極層形成ステップでは、金属支持体1の表側面1aの複数の貫通孔2が設けられた領域より広い領域にアノード電極層Aが薄膜の状態で形成される。金属支持体1に対して複数の貫通孔2はレーザー加工等によって設けることができる。アノード電極層A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1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yを有する電気化学素子Eを形成する場合では、アノード電極層平滑化工程やアノード電極層焼成工程を省いたり、アノード電極層平滑化工程やアノード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、アノード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。
上述したアノード電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属支持体1の表面に拡散抑制層x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拡散抑制層xが形成されるので好ましい。アノード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1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1の表面に拡散抑制層xが形成されても良い。
中間層形成ステップでは、アノード電極層Aを覆う形態で、アノード電極層Aの上に中間層yが薄層の状態で形成される。中間層y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1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y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1の表側面1aに塗布する。そして中間層y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y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y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1の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層yを形成できるためである。また、中間層y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yの焼成温度を低下させる程に、金属支持体1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、アノード電極層Aおよび中間層yを覆った状態で、電解質層Bが中間層y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B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1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zが電解質層Bの上に薄層の状態で形成される。反応防止層z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1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zの上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層z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。
カソード電極層形成ステップでは、カソード電極層Cが反応防止層zの上に薄層の状態で形成される。カソード電極層C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1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、電気化学素子Eにおいて、中間層y(挿入層)と反応防止層zとは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、アノード電極層Aと電解質層Bとが接触して形成される形態、あるいは電解質層Bとカソード電極層Cとが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
電気化学モジュールMは、図14に示すように、ガスマニホールド17、集電部材26、終端部材および電流引出し部を有する。複数積層された電気化学素子Eは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド17に接続されて、ガスマニホールド17から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属支持体1の貫通孔2を通ってアノード電極層Aに供給される。
図3に示すように、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と外部改質器34とからなる燃料変換器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(電力変換器の一例)とを有する。
本発明の他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用することに限らず、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
セル間接続部材71は、導電性を有し、かつ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面に、互いに直交する溝72が形成されている。セル間接続部材71はステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
図15に示すように、このセル間接続部材71を間に挟んで電気化学素子Eを積層すると、溝72を通じて気体を電気化学素子Eに供給することができる。詳しくは一方の溝72が第1気体流路72aとなり、電気化学素子Eの表側、すなわちカソード電極層Cに気体を供給する。他方の溝72が第2気体流路72bとなり、電気化学素子Eの裏側、すなわち金属支持体1の裏側の面から貫通孔2(図1参照)を通じてアノード電極層Aへ気体を供給する。
この電気化学モジュールMを燃料電池として動作させる場合は、第1気体流路72aに酸素を供給し、第2気体流路72bに水素を供給する。そうすると電気化学素子Eにて燃料電池としての反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された電気化学素子Eの両端のセル間接続部材71から、電気化学モジュールMの外部に取り出される。
なお、図15に示す形態では、セル間接続部材71の表面と裏面に、互いに直交する溝72を形成したが、セル間接続部材71の表面と裏面に、互いに並行する溝72を形成することもできる。
すなわち、上記の実施形態では、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上できる構成について説明した。
つまり、上記の実施形態では、電気化学素子E及び電気化学モジュールMを燃料電池として動作させ、アノード電極層Aに水素ガスが流通され、カソード電極層Cに酸素ガスが流通される。そうすると、カソード電極層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を通ってアノード電極層Aへ移動する。アノード電極層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、アノード電極層Aとカソード電極層Cとの間に起電力が発生し、発電が行われる。
一方、電気化学素子E及び電気化学モジュールMを電解セルとして動作させる場合は、アノード電極層Aに水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、アノード電極層Aとカソード電極層Cとの間に電圧が印加される。そうすると、アノード電極層Aにおいて電子e-と水分子H2O、二酸化炭素分子CO2が反応し水素分子H2や一酸化炭素COと酸素イオンO2-となる。酸素イオンO2-は電解質層Bを通ってカソード電極層Cへ移動する。カソード電極層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、二酸化炭素分子CO2を含有するガスが流通される場合は一酸化炭素COと酸素O2とに電気分解される。
図16に示すエネルギーシステムでは、電気化学モジュールMは、複数の電気化学素子Eとガスマニホールド17及びガスマニホールド171とを有する。複数の電気化学素子Eは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Eの一方の端部(下端部)がガスマニホールド17に固定されており、他方の端部(上端部)がガスマニホールド171に固定されている。電気化学素子Eの一方の端部(下端部)におけるガスマニホールド17は、水蒸気及び二酸化炭素の供給を受ける。そして、電気化学素子Eの電気化学素子Eで上述の反応により生成した水素及び一酸化炭素等が、電気化学素子Eの他方の端部(上端部)と連通するマニホールド171によって収集される。
図16中の熱交換器90を、燃料変換器91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16中の熱交換器92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できる。
また、電力変換器93は、電気化学素子Eに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子Eは、電解セルとして作用する。
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素子E等を提供することができる。
また、U字部材7を省略して金属支持体1によりアノード電極層A等を支持する構成としても良い。
1a 表側面
1b 裏側面
2 貫通孔
2A,2At 第1傾斜貫通孔
2B、2Bt 第2傾斜貫通孔
91 燃料変換器
93 電力変換器
A アノード電極層(電極層)
Aa 挿入部
B 電解質層
C カソード電極層
E 電気化学素子
F ガス通流方向
L ガス流路
M 電気化学モジュール
Y 電気化学装置
Z エネルギーシステム
Claims (16)
- 全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有し、
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記ガス流路において、一方の端部に設けられた入口から他方の端部に設けられた出口に向かうガス通流方向に沿ってガスが通流し、
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第1傾斜貫通孔を有する金属支持体。 - 全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有し、
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記ガス流路において、一方の端部に設けられた入口から他方の端部に設けられた出口に向かうガス通流方向に沿ってガスが通流し、
前記傾斜貫通孔として、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している第2傾斜貫通孔を有する金属支持体。 - 全体として板状に形成されて電極層が設けられる表側面から裏側面に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体であって、
前記貫通孔として、厚み方向に対して中心軸が傾斜している傾斜貫通孔を有し、
前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路が、前記金属支持体の裏側面に沿って設けられ、
前記ガス流路において、一方の端部に設けられた入口から他方の端部に設けられた出口に向かうガス通流方向に沿ってガスが通流し、
前記傾斜貫通孔として、第1傾斜貫通孔と第2傾斜貫通孔を有すると共に、
前記第1傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口部が裏側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜しており、
前記第2傾斜貫通孔が、前記金属支持体において裏側の開口部が表側の開口部よりも前記ガス流路でのガス通流方向の下流側に位置する状態で傾斜している金属支持体。 - 前記ガス流路でのガス通流方向に沿って、前記第1傾斜貫通孔が上流側に位置し、その下流側に前記第2傾斜貫通孔が位置する請求項3に記載の金属支持体。
- 前記傾斜貫通孔が、前記金属支持体において表側の開口面積が裏側の開口面積よりも小さく形成されている請求項1~4の何れか1項に記載の金属支持体。
- 前記電極層が、前記傾斜貫通孔に挿入された挿入部を有する請求項1~5の何れか1項に記載の金属支持体。
- 請求項1~6の何れか1項に記載の金属支持体を備え、その金属支持体の前記表側面に、電極層と電解質層と対極電極層とを設けて構成された電気化学素子。
- 前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路の少なくとも一部に、当該ガス流路内の流れを乱す乱流促進体を備えた請求項7に記載の電気化学素子。
- 前記電極層に対して供受されるガスが通流するガス流路の少なくとも一部に、燃料ガスを改質する触媒反応部を備えた請求項7又は8に記載の電気化学素子。
- 請求項7~9の何れか1項に記載の電気化学素子を複数集合した状態で配置して構成された電気化学モジュール。
- 請求項7~9の何れか1項に記載の電気化学素子もしくは請求項10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に還元成分を含有するガスを供給する燃料変換器、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で生成する還元成分を含有するガスを変換する燃料変換器、とを備えた電気化学装置。
- 請求項7~9の何れか1項に記載の電気化学素子もしくは請求項10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に電力を流通する電力変換器とを備えた電気化学装置。
- 請求項11又は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とを備えたエネルギーシステム。
- 請求項7~9の何れか1項に記載の電気化学素子を備え、その電気化学素子で発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。
- 請求項7~9の何れか1項に記載の電気化学素子を備え、その電気化学素子で電解反応を生じさせる固体酸化物形電解セル。
- 請求項1~6の何れか1項に記載の金属支持体を製造する製造方法であって、金属材料板に対して、レーザー加工またはパンチング加工またはエッチング加工のいずれか、または、それらの組合せによって、表側から裏側へ貫通する複数の貫通孔を形成する金属支持体の製造方法。
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