JP7470037B2 - 電気化学素子の金属支持体、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
電気化学素子の金属支持体、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 Download PDFInfo
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Description
上記目的を達成するための電気化学素子の金属支持体の特徴構成は、全体として板状であり、前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、前記表側面において前記貫通空間が形成されている領域を孔領域とし、前記貫通空間の前記表側面の開口部を表側開口部とし、前記孔領域における前記表側開口部の占める割合である開口率が0.2%以上5.3%以下であり、前記貫通空間の前記裏側面の開口部である裏側開口部が、前記表側開口部よりも大きい面積または直径を有し、前記表側開口部の間隔が0.05mm以上0.3mm以下であり、厚さが0.1mm以上1.0mm以下であり、材料がFe-Cr系合金である点にある。
加えて、本特徴構成によれば、貫通空間の加工形成が更に容易になり、量産時の加工性とコストを改善でき好適である。また、金属支持体の表側開口部の面積に対する金属支持体全体の厚さの比率をより大きくできるので、十分な強度を有しながら、金属支持体の上に電極層などの電気化学素子の構成要素を形成し易くなるので好適である。
更に、上記の特徴構成によれば、金属支持体の強度と性能を両立でき好適である。なお、前記表側開口部の間隔が0.05mm以上であると好ましく、0.1mm以上であるとより好ましく、0.15mm以上であると更に好ましい。このようにすることで、金属支持体としての強度をより高めることができる上に、複数の貫通空間を有する金属支持体上に電極層などの電気化学素子の構成要素をより形成し易くなるからである。また。前記表側開口部の間隔が0.3mm以下であると好ましく、0.25mm以下であるとより好ましく、0.2mm以下であると更に好ましい。このようにすることで、電気化学素子の電極層に十分な量の燃料ガス(または空気)を供給できるようになり、電気化学素子としての性能をより高めることができるからである。
更に、金属支持体の厚さが0.1mm以上1.0mm以下であるので、貫通空間の大きさを適切なものとしつつ、金属支持体の全体の強度を十分に保つことができるので、量産時の加工性を向上し、材料コストを低減できるので好適である。なお、金属支持体の厚さが0.1mm以上であると好ましく、0.15mm以上であるとより好ましく、0.2mm以上であると更に好ましい。このようにすることで、金属支持体としての強度を保ちながら、量産時のハンドリングがよりし易くなるからである。また。金属支持体の厚さが1.0mm以下であると好ましく、0.75mm以下であるとより好ましく、0.5mm以下であると更に好ましい。このようにすることで、金属支持体としての強度を保ちながら、金属支持体の材料コストをより低減できるからである。
更に、金属支持体の材料がFe-Cr系合金であるので、金属支持体の耐酸化性と高温強度を向上できる。また、金属支持体上に形成される電極層や電解質層などの電気化学素子の構成要素の材料と熱膨張係数を近いものにできるので、ヒートサイクル耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、前記表側開口部が、直径が10μm以上60μm以下の円形又は略円形である点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、金属板を複数重ねて形成されている点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、同一または略同一の厚さの金属板を複数重ねて形成されている点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、金属製の板である第1金属板と、前記第1金属板よりも厚さの大きい金属製の板である第2金属板とを含む、複数の金属板を重ねて形成されており、前記第1金属板は前記第2金属板よりも前記表側面の側に配置されている点にある。
本発明に係る金属支持体の別の特徴構成は、前記表側面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている点にある。
上述の金属支持体の前記表側面に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子は、十分な性能を確保しつつ、量産時の加工性とコストを改善したものとなり好適である。更に、強度に優れた金属支持体の上に電極層や電解質層などの電気化学素子の構成要素を形成するから、電極層や電解質層などの電気化学素子の構成要素を薄層化や薄膜化することが可能なので、電気化学素子の材料コストを低減することが可能となり好適である。
本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置される点にある。
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学素子もしくは上述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燃料供給部を有する点にある。
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、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子e-と水分子H2Oや二酸化炭素分子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-は電解質層を通って対極電極層へ移動する。対極電極層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とに分解され、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。
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素子もしくは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素子もしくは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。
本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学素子もしくは上述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少なくとも有する点にある。
なお、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、耐久性・信頼性および性能に優れた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。
本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、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有する点にある。
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、発電反応を生じさせる点にある。
本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせる点にある。
上記目的を達成するための、上述した金属支持体を製造する製造方法の特徴構成は、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、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を形成する点にある。
以下、図1を参照しながら、本実施形態に係る電気化学素子Eおよび固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)について説明する。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の構成要素として用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層4から見て対極電極層6の側を「上」または「上側」、電極層2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における電極層2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。
電気化学素子Eは、図1に示される通り、金属支持体1と、金属支持体1の上に形成された電極層2と、電極層2の上に形成された中間層3と、中間層3の上に形成された電解質層4とを有する。そして電気化学素子Eは、更に、電解質層4の上に形成された反応防止層5と、反応防止層5の上に形成された対極電極層6とを有する。つまり対極電極層6は電解質層4の上に形成され、反応防止層5は電解質層4と対極電極層6との間に形成されている。電極層2は多孔質であり、電解質層4は緻密である。
金属支持体1は、電極層2、中間層3および電解質層4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。
金属酸化物層1f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、金属酸化物層1f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1fは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
図1の例では、金属支持体1が1枚の金属の板により構成されている。金属支持体1を、金属板を複数重ねて形成することも可能である。金属支持体1を、同一または略同一の厚さの金属板を複数重ねて形成することも可能である。金属支持体1を、厚さの異なる金属板を複数重ねて形成することも可能である。以下、金属支持体1および貫通空間1cの構造の例について図面を参照しながら説明する。なお金属酸化物層1fについては図示を省略する。
図5を参照して、金属支持体1が1枚の金属の板により構成される例(第1例)について説明する。図5に示されるように、金属支持体1は、厚さTの板状の部材であり、すなわち全体として板状である。金属支持体1は、表側面1aから裏側面1bへ貫通する複数の貫通空間1cを有する。第1例では貫通空間1cは、断面が円形の孔である。なお貫通空間1c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、貫通空間1c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。この孔(貫通空間1c)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。なお孔(貫通空間1c)の中心軸は、金属支持体1に対して傾斜していてもよい。
図6を参照して、金属支持体1を同一の厚さの金属板を複数重ねて形成する例(第2例)について説明する。図6に示されるように、第2例では、厚さT1の第1金属板10と、厚さT2の第2金属板20とによって、金属支持体1が構成されている。第1金属板10と第2金属板20とは、同じ厚さである。金属支持体1は、第1金属板10と第2金属板20とを重ねて形成されている。そして金属支持体1は、全体として厚さTの板状の部材となっている。第1金属板10と第2金属板20とは、例えばスポット溶接や、ろう付け接合、真空接合等の手法により接合されている。なお、第1金属板10と第2金属板20とは、若干異なる厚さ、つまり、略同一の厚さで構成しても良い。
図7を参照して、金属支持体1が異なる厚さの金属板を複数重ねて形成される例(第3例)について説明する。第3例に係る金属支持体1は、第2例に係る金属支持体1の各所の寸法の関係を変更したものである。以下の第3例の説明では、第2例と同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
電極層2は、図1に示すように、金属支持体1の表側の面であって貫通空間1c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1cが設けられた領域の全体が、電極層2に覆われている。つまり、貫通空間1cは金属支持体1における電極層2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1cが電極層2に面して設けられている。
すなわち電極層2は、多孔質な層として形成される。電極層2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3(挿入層)は、図1に示すように、電極層2を覆った状態で、電極層2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3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4は、図1に示すように、電極層2および中間層3を覆った状態で、中間層3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4は、図1に示すように、中間層3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4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5は、電解質層4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5の材料としては、電解質層4の成分と対極電極層6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5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5を電解質層4と対極電極層6との間に導入することにより、対極電極層6の構成材料と電解質層4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5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と電極層2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6は、電解質層4もしくは反応防止層5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6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6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6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1の裏側の面から貫通空間1cを通じて水素を含む燃料ガスを電極層2へ流通し、電極層2の対極となる対極電極層6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、対極電極層6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4を通って電極層2へ移動する。電極層2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と電子e-が生成される。
電解質層4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2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4を通って対極電極層6へ移動する。対極電極層6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2と対極電極層6との間に起電力が発生する。この場合、電極層2はSOFCの燃料極(アノード)として機能し、対極電極層6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1の表側の面の貫通空間1cが設けられた領域より広い領域に電極層2が薄膜の状態で形成される。金属支持体1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2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、電極層2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の表側の面に塗布する。そして電極層2を圧縮成形し(電極層平滑化工程)、1100℃以下で焼成する(電極層焼成工程)。電極層2の圧縮成形は、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、電極層の焼成は、800℃以上1100℃以下の温度で行うと好適である。また、電極層平滑化工程と電極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3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1の表面に金属酸化物層1f(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1f(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の表面に金属酸化物層1f(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2を覆う形態で、電極層2の上に中間層3が薄層の状態で形成される。中間層3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3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の表側の面に塗布する。そして中間層3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3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3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3を形成できるためである。また、中間層3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3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、電極層2および中間層3を覆った状態で、電解質層4が中間層3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4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5が電解質層4の上に薄層の状態で形成される。反応防止層5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5の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層5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6が反応防止層5の上に薄層の状態で形成される。対極電極層6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。
実施例1と同様の表側開口部1dの直径が30μm、ピッチPが115μm、開口率は5.3%の金属支持体1を用い、電極層形成ステップでの焼成処理温度を850℃、中間層形成ステップでの焼成処理温度を1050℃に変更したこと以外は実施例1と同様の方法で、電極層2の厚さが約25μm、中間層3の厚さが約9μm、電解質層4の厚さが約9μm程度の電気化学素子Eを得た。
実施例1と同様の金属板を用い、孔の大きさと孔間隔が異なる貫通空間1cを形成した。なお、貫通空間1cは、直交格子の格子点に設け、表側開口部1dの直径は20μm、ピッチPは200μm、開口率は0.8%である。この金属支持体1を用い、電極層形成ステップでの焼成処理温度を850℃に変更したこと以外は実施例1と同様の方法で、電極層2の厚さが約10μm、中間層3の厚さが約7μm、電解質層4の厚さが約4μm程度の電気化学素子Eを得た。
実施例1と同様の金属板を用い、孔の大きさと孔間隔が異なる貫通空間1cを形成した。なお、貫通空間1cは、直交格子の格子点に設け、表側開口部1dの直径は10μm、ピッチPは200μm、開口率は0.2%である。この金属支持体1を用い、実施例1と同様の方法で、電解質層4の厚さが約4μm程度の電気化学素子Eを得た。
厚さ0.3mm、120mm角の正方形のcrofer22APUの金属板(金属支持体1)に対して、中心から98mm角の正方形の領域にレーザー加工により貫通空間1cを複数設けて、金属支持体1を作製した。貫通空間1cは、直交格子の格子点に設けた。なお、表側開口部1dの直径は20μm、ピッチPは2000μm、開口率は0.008%である。この金属支持体1を用い、60重量%のNiO粉末と40重量%のYSZ粉末を混合し、有機バインダーと有機溶媒(分散媒)を加えて作製したペーストを電極層形成ステップに用いるよう変更したこと以外は実施例1と同様の方法で、電解質層4の厚さが約4μm程度の電気化学素子Eを得た。
パンチングにより、表側開口部1dの直径が630μm、ピッチPが1250μm、開口率が19.9%となるように孔加工した、厚さ0.8mm、直径25mmの円形のSUS430の金属板(金属支持体1)に対して、実施例1と同様にして電気化学素子Eの製造を試みたが、電極層2や中間層3等を欠陥なく積層することができず、電気化学素子Eとして機能するものが得られなかった。
表1の結果から実施例1~4では、電流密度が大きく良好な電気化学素子Eであることがわかる。
図2・図3を用いて、第2実施形態に係る電気化学素子E、電気化学モジュールM、電気化学装置YおよびエネルギーシステムZについて説明する。
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。
図4に、電気化学モジュールMの他の実施形態を示す。第3実施形態に係る電気化学モジュールMは、上述の電気化学素子Eを、セル間接続部材71を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールMを構成する。
(1)上記の実施形態では、電気化学素子Eを固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Eは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
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、電極層2に水素ガスが流通され、対極電極層6に酸素ガスが流通される。そうすると、対極電極層6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4を通って電極層2へ移動する。電極層2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2と対極電極層6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、電極層2に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層2と対極電極層6との間に電圧が印加される。そうすると、電極層2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4を通って対極電極層6へ移動する。対極電極層6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。
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素子E及び電気化学モジュールM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などを合成する燃料変換器91を設けることができる。燃料供給部(図示せず)により、この燃料変換器91が生成した炭化水素等を電気化学素子E及び電気化学モジュールM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。
図8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8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8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により電極層2等を支持する構成としても良い。
1a 表側面
1b 裏側面
1c 貫通空間
1d 表側開口部
1e 裏側開口部
1f 金属酸化物層
1g 孔領域
1h 単位領域
2 電極層
4 電解質層
6 対極電極層
T 厚さ
D 内径、直径、孔径
P ピッチ、間隔
S 面積(表側開口部)
A 開口率
10 第1金属板
10a 第1表側面
10b 第1裏側面
10c 第1貫通空間
10d 第1表側開口部
10e 第1裏側開口部
10g 第1孔領域
10h 第1単位領域
T1 厚さ
D1 内径、直径、孔径
P1 ピッチ、間隔
S1 面積(表側開口部)
A1 開口率
20 第2金属板
20a 第2表側面
20b 第2裏側面
20c 第2貫通空間
20d 第2表側開口部
20e 第2裏側開口部
T2 厚さ
D2 内径、直径、孔径
P2 ピッチ、間隔
E 電気化学素子
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 (14)
- 電気化学素子の金属支持体であって、
前記金属支持体は全体として板状であり、前記金属支持体は、電極層が設けられる面を表側面として、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を有し、前記表側面において前記貫通空間が形成されている領域を孔領域とし、前記貫通空間の前記表側面の開口部を表側開口部とし、前記孔領域における前記表側開口部の占める割合である開口率が0.2%以上5.3%以下であり、
前記貫通空間の前記裏側面の開口部である裏側開口部が、前記表側開口部よりも大きい面積または直径を有し、
前記表側開口部の間隔が0.05mm以上0.3mm以下であり、
厚さが0.1mm以上1.0mm以下であり、
材料がFe-Cr系合金である金属支持体。 - 前記表側開口部が、直径が10μm以上60μm以下の円形又は略円形である請求項1に記載の金属支持体。
- 金属板を複数重ねて形成されている請求項1又は2に記載の金属支持体。
- 同一または略同一の厚さの金属板を複数重ねて形成されている請求項1又は2に記載の金属支持体。
- 金属製の板である第1金属板と、前記第1金属板よりも厚さの大きい金属製の板である第2金属板とを含む、複数の金属板を重ねて形成されており、前記第1金属板は前記第2金属板よりも前記表側面の側に配置されている請求項1又は2に記載の金属支持体。
- 前記表側面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている請求項1から5のいずれか1項に記載の金属支持体。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の金属支持体の前記表側面に、少なくとも電極層と電解質層と対極電極層とが設けられた電気化学素子。
- 請求項7に記載の電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュール。
- 請求項7に記載の電気化学素子もしくは請求項8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燃料供給部を有する電気化学装置。
- 請求項7に記載の電気化学素子もしくは請求項8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少なくとも有する電気化学装置。
- 請求項9または10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有するエネルギーシステム。
- 請求項7に記載の電気化学素子を備え、前記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に記載の電気化学素子を備え、前記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から6のいずれか1項に記載の金属支持体を製造する製造方法であって、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、前記表側面から裏側面へ貫通する複数の貫通空間を形成する、金属支持体の製造方法。
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