JPWO2009119310A1 - Electrochemical equipment - Google Patents
Electrochemical equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2009119310A1 JPWO2009119310A1 JP2010505519A JP2010505519A JPWO2009119310A1 JP WO2009119310 A1 JPWO2009119310 A1 JP WO2009119310A1 JP 2010505519 A JP2010505519 A JP 2010505519A JP 2010505519 A JP2010505519 A JP 2010505519A JP WO2009119310 A1 JPWO2009119310 A1 JP WO2009119310A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas flow
- cell
- gas
- electrochemical
- flow path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
電気化学セル1は、第一のガスと接触する第一の電極9、固体電解質層6、および第二のガスと接触する第二の電極2A、2B、2Cを備える。第一のガスを流すガス流路8が第一の電極9の内部に形成されている。ガス流路8と連通する貫通孔4(5)がセル1に設けられている。ガス流通部材12が、貫通孔4(5)に挿通されている管状部12b、12cと、セル1の一方の主面1aと対向するシール面を有するフランジ部12aとを備える。隣接するガス流通部材12が互いに連結されておらず,複数のガス流通部材12とセル1の貫通孔とによってガス流路20が形成されている。複数のセル1がガス流通部材12によって互いに離間されている。The electrochemical cell 1 includes a first electrode 9 that is in contact with a first gas, a solid electrolyte layer 6, and second electrodes 2A, 2B, and 2C that are in contact with a second gas. A gas flow path 8 through which the first gas flows is formed inside the first electrode 9. A through hole 4 (5) communicating with the gas flow path 8 is provided in the cell 1. The gas flow member 12 includes tubular portions 12b and 12c inserted through the through holes 4 (5) and a flange portion 12a having a seal surface facing one main surface 1a of the cell 1. The adjacent gas flow members 12 are not connected to each other, and a gas flow path 20 is formed by the plurality of gas flow members 12 and the through holes of the cell 1. The plurality of cells 1 are separated from each other by the gas flow member 12.
Description
発明の属する技術分野
本発明は、固体酸化物形燃料電池などの電気化学装置に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrochemical device such as a solid oxide fuel cell.
WO 2007/029860 A1では、セラミック製電気化学セルの例えば燃料極の内部に燃料流路を形成し、燃料極の上に固体電解質膜、空気極膜を形成する。そしてセルそのものにガス供給孔とガス排出孔とを設け、セルを直接に複数枚積層してスタックを形成する。このスタック形成のさいに、隣接する各セルのガス供給孔を連続させてガス供給路を形成し、各セルのガス排出孔を連続させることでガス排出路を形成する。
また、WO2008/123570 および第15回 SOFC研究発表会 講演要旨集(平成18年12月5日発行:SOFC研究会)、第212〜215ページ 「流路内蔵セル・スタックの発電特性」においては、各セルの貫通孔にガス供給管を挿通する。隣接するセルに挿通された各ガス供給管を連結し、連結されたガス供給構造体を作製する。このガス供給構造体によって、複数のセルをそれぞれ固定し、スタックを形成する。この結果、個々のセルは、互いに接触しておらず、連結されたガス供給構造体によって支持されており、セルそれ自体は構造保持部材として働かない。従って、セルスタックに対して外力が加わっても、個々のセルに対しては過大な応力が加わりにくい。In WO 2007/029860 A1, a fuel flow path is formed inside, for example, a fuel electrode of a ceramic electrochemical cell, and a solid electrolyte membrane and an air electrode membrane are formed on the fuel electrode. A gas supply hole and a gas discharge hole are provided in the cell itself, and a plurality of cells are directly stacked to form a stack. In forming the stack, the gas supply passages are formed by connecting the gas supply holes of adjacent cells, and the gas discharge passages are formed by connecting the gas discharge holes of the cells.
Also, in WO2008 / 123570 and 15th SOFC Research Presentation Abstract (December 5, 2006: SOFC Research Meeting), pages 212 to 215 “Power Generation Characteristics of Cell Stack with Built-in Channels” A gas supply pipe is inserted into the through hole of each cell. The gas supply pipes inserted into adjacent cells are connected to produce a connected gas supply structure. With this gas supply structure, a plurality of cells are fixed to form a stack. As a result, the individual cells are not in contact with each other and are supported by the connected gas supply structures, and the cells themselves do not act as structure holding members. Therefore, even if an external force is applied to the cell stack, an excessive stress is not easily applied to each cell.
しかし,本発明者が更に継続的に研究を続けてきたところ、WO2008/123570 および第15回 SOFC研究発表会 講演要旨集(平成18年12月5日発行:SOFC研究会)、第212〜215ページ 「流路内蔵セル・スタックの発電特性」記載のスタックでは、セルが平板形状をしており,セルの貫通孔にガス供給管が挿通されている。ここで、ガス供給管からなる連結構造に外力が加わったとき、その外力の状態によっては、セルとガス供給管とのシール部分に曲げモーメントが加わる可能性がある。もしセルとガス供給管とのシール部分に微小なクラックが導入されると、ガス供給管の内部を流れるガスが漏れるおそれがある。
本発明の課題は、電気化学セルとガス流通構造とのシール部分に曲げモーメントなどが局部的に加わった場合にも、そのシール部分におけるクラックの進展を防止することである。
本発明は、複数のセラミックス製電気化学セルおよび複数のガス流通部材を備えている電気化学装置に係るものである。
電気化学セルは、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、第一のガスを流すガス流路が第一の電極の内部に形成されており、ガス流路と連通する貫通孔がセルに設けられている。ガス流通部材が、貫通孔に挿通されている管状部と、セルの一方の主面にシールされたシール面を有するフランジ部とを備えている。隣接するガス流通部材が互いに連結されておらず,複数のガス流通部材とセルの貫通孔とによってガス流路が形成されており、複数のセルがガス流通部材によって互いに離間されていることを特徴とする。
本発明によれば、ガス流通部材が、貫通孔に挿通されている管状部と、セルの一方の主面にシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、このシール面がセルの一方の主面に対してシールされている。そして、隣接するガス流通部材が互いに連結されておらず,複数のガス流通部材とセル貫通孔とによってガス流通経路が形成されている。
この構造では、各ガス流通部材が連結されないので、一体の連結構造を形成せず、互いに離れている。これと同時に、ガス流通部材のシール面がセルの主面にシールされている。この結果、スタックを作るときに、セルの配列方向へと圧縮応力を加えると、ガス流通部材のシール面とセルの主面とを圧縮するような圧縮応力が働く(ガス流通部材が連結されていると、このような圧縮応力は働かない)。この結果、ガス流通部材とセルとのシール部分に曲げ応力などの外力が集中して加わった場合にも、シール面の周辺は圧縮された状態であるので、クラックはフランジ部と管状部との分岐部分を超えては進展しにくく、ガス漏れが生じにくい。However, as the inventor continued further research, WO 2008/123570 and the 15th SOFC Research Presentation Meeting Summary (issued on December 5, 2006: SOFC Research Meeting), Nos. 212-215 Page In the stack described in “Power generation characteristics of flow path built-in cell stack”, the cell has a flat plate shape, and a gas supply pipe is inserted into the through hole of the cell. Here, when an external force is applied to the connection structure including the gas supply pipe, a bending moment may be applied to the seal portion between the cell and the gas supply pipe depending on the state of the external force. If a minute crack is introduced into the seal portion between the cell and the gas supply pipe, the gas flowing inside the gas supply pipe may leak.
An object of the present invention is to prevent cracks from progressing in the sealing portion even when a bending moment or the like is locally applied to the sealing portion between the electrochemical cell and the gas flow structure.
The present invention relates to an electrochemical device including a plurality of ceramic electrochemical cells and a plurality of gas flow members.
The electrochemical cell includes a first electrode that is in contact with the first gas, a solid electrolyte layer, and a second electrode that is in contact with the second gas, and the gas flow path for flowing the first gas is the first. The cell is provided with a through-hole that communicates with the gas flow path. The gas flow member includes a tubular portion inserted through the through hole and a flange portion having a sealing surface sealed to one main surface of the cell. The adjacent gas flow members are not connected to each other, a gas flow path is formed by the plurality of gas flow members and the through holes of the cells, and the plurality of cells are separated from each other by the gas flow members. And
According to the present invention, the gas flow member includes a tubular portion inserted through the through hole, and a flange portion having a seal surface sealed to one main surface of the cell, and the seal surface is the cell. One main surface is sealed. The adjacent gas flow members are not connected to each other, and a gas flow path is formed by the plurality of gas flow members and the cell through holes.
In this structure, since each gas distribution member is not connected, it does not form an integral connection structure but is separated from each other. At the same time, the sealing surface of the gas flow member is sealed to the main surface of the cell. As a result, when compressive stress is applied in the cell arrangement direction when creating a stack, compressive stress acts to compress the sealing surface of the gas flow member and the main surface of the cell (the gas flow member is connected). Such compression stress does not work). As a result, even when an external force such as bending stress is concentrated on the seal portion between the gas flow member and the cell, the periphery of the seal surface is in a compressed state, so that the crack is caused between the flange portion and the tubular portion. It is difficult to progress beyond the branching portion, and gas leakage is unlikely to occur.
図1は、本発明の一実施形態に係る電気化学セル1を分解して示す斜視図である。
図2(a)は、図1のセル1をIIa−IIa線に沿って切ってみた断面図であり、図2(b)は、図1のセル1をIIb−IIb線に沿って切って見た断面図である。
図3は、図1のセル1をIII−III線に沿って切ってみた断面図である。
図4(a)は、セル1の貫通孔4(または5)に対してガス流通部材12を固定し、シールを行った状態を示す断面図であり、図4(b)は、図4(a)の部分拡大図である。
図5は、複数のガス流通部材および複数のセルを交互に配置して形成したスタック21を示す断面図である。
図6(a)は、他の実施形態に係るセル1およびガス流通部材12を示す断面図であり、図6(b)は、図6(a)の部分拡大図である。
図7(a)は、セル1のガス流通部材12からの剥離強度を測定する方法を説明するための模式図であり、図7(b)は、セル1がガス流通部材12から剥離した状態を示す模式図である。FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrochemical cell 1 according to an embodiment of the present invention.
2A is a cross-sectional view of the cell 1 of FIG. 1 taken along the line IIa-IIa, and FIG. 2B is a view of the cell 1 of FIG. 1 taken along the line IIb-IIb. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the cell 1 of FIG. 1 taken along the line III-III.
4A is a cross-sectional view showing a state where the
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a
Fig.6 (a) is sectional drawing which shows the cell 1 and
FIG. 7A is a schematic diagram for explaining a method of measuring the peel strength of the cell 1 from the
本発明では、電気化学セルは板状であることが好ましい。ただし、平板状には限らず、湾曲した板や円弧状の板でもよい。電気化学セルは、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および、第二のガスと接触する第二の電極を備えている。
ここで、第一の電極、第二の電極は、アノードまたはカソードから選択する。これらのうち一方がアノードである場合には、他方はカソードである。これと同様に、第一のガス、第二のガスは、酸化性ガス、還元性ガスから選択する。
酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、H2、CO、CH4とこれらの混合ガスを例示できる。
本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。また、電気化学セルを、NOx、SOxの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、NOxを電解してN2とO2とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がNOxをN2へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体酸化物形燃料電池である。
固体電解質の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、NOx分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
カソードの材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト(ランタンマンガナイトの場合)、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。
アノードの材質としては、ニッケル−マグネシアアルミナスピネル、ニッケル−ニッケルアルミナスピネル、ニッケル−ジルコニア、白金−酸化セリウム、ルテニウム−ジルコニア等が好ましい。
各電気化学セルの形態は特に限定されない。電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層の3層からなっていてよい。あるいは、電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層以外に、例えば多孔質体層を有していて良い。
本発明においては、第一のガスを流すガス流路および貫通孔が電気化学セルに設けられている。ガス流路の形態、貫通孔の個数および場所は特に限定されない。また、貫通孔を複数設け、ガス供給用の貫通孔とガス排出用の貫通孔とを分離することが好ましい。
ガス流通部材の管状部の具体的形態は限定されない。管状部の横断面形状は、例えば、真円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などの多角形であってよい。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る電気化学セル1を分解して示す斜視図である。図2(a)は、図1のセルをIIa−IIa線に沿って切ってみた断面図であり、図2(b)は、図1のセルをIIb−IIb線に沿って切って見た断面図である。図3は、図1のセルをIII−III線に沿って切ってみた断面図である。
電気化学セル1の第一の電極9の内部に、第一のガスを流すためのガス流路8が形成されている。第一の電極9は平板状をなしており、第一の電極9の両方の主面および側面全てに、それぞれ、固体電解質層6が設けられている。両方の主面上にある各固体電解質層6上には、それぞれ、第二の電極2A、2Bあるいは2Cが形成されている。セル1の両方の主面には、第二の電極2A、2B、2Cが露出するとともに、セル1の中央部には、第一の電極9に電気的に導通する接続パッド3が露出している。
電気化学セル1には、所定箇所に、第一の貫通孔5および第二の貫通孔4が形成されている。貫通孔5および4は、ガス流路8に対して連通している。セルの稼働時には、貫通孔5から第一のガスを供給する。ガスは矢印Aのように流路内に入り、矢印Bのように流路内を分配され、矢印Cのように貫通孔4へと入り、セル外に出る。
図4(a)は、セル1の貫通孔4(または5)に対してガス流通部材12を固定し、シールを行った状態を示す断面図であり、図4(b)は、図4(a)の部分拡大図である。図5は、複数のガス流通部材および複数のセルを交互に配置して形成したスタック21を示す断面図である。
図4に示すように、ガス流通部材12をセルに対して固定する。ガス流通部材12は、ガス供給部材またはガス排出部材である。具体的には、ガス流通部材12は、第一の管状部12b、第二の管状部12cおよびこられの間にあるフランジ部12aを備えている。ガス流通部材12中にはガス流路14が形成されており、ガス流路14はセル1のガス流路8に対して連通している。
図4(b)に示すように、管状部12bを貫通孔4(または5)内に挿入し、管状部12bをセルの壁面15に対して対向させ、フランジ部12aのシール面19をセルの主面1aに対向させる。本例では、管状部12bとセル壁面15との間にシール材13をはさむのと共に、フランジ部のシール面19と主面1aとの間にシール材13をはさむ。
図5に示すように、複数のセル1と複数のガス流通部材12とを交互に設置し、連結していく。ここで、各ガス流通部材12によって、隣接する二つのセル1を連結している。即ち、ガス流通部材12の第一の管状部12bを一つのセル1の貫通孔4(5)に挿入してシールし、第二の管状部12cを隣接するセル1の貫通孔4(5)に挿入してシールする。これによって、隣接するセルのガス流路8が気密に連結され、また機械的にも固定される。
この結果、複数のガス流通部材12のガス流路14および各セルの流路8が連通し、それぞれガス流路20を形成する。このガス流路20は、ガス供給径路またはガス排出径路として使用する。例えば、ガス流路20をガス供給径路として使用する場合には、矢印Eのように第一のガスを供給し、各流路8内へと分配させる。このガスは、図1に示す矢印A、B、Cのように流れ、ガス排出径路から排出される。図5では、流通径路20から流路8内に分配されなかったガスは、矢印Fのようにスタック外へと排出される。
このような装置によると、隣接するセルはガス流通部材によって離間され、互いに接触しない。また、隣接するガス流通部材12も離間されており、互いに接触しない。この状態では、セルおよびガス流通部材が両方ともにスタックを保持する構造として機能することになる。
ここで、ガス流通部材が互いにつながった保持構造を形成している場合には、ガス流通部材からセルに加わる曲げモーメントによって、ガス流通部材とセルとのシール界面に沿ってクラックが生ずるおそれがある。しかし、本発明では、矢印Gのようにスタック時に応力が加わると、流通部材12間が離れているので、図4(b)に示すように矢印G方向に圧縮応力が加わる。この状態で、ガス流通部材のシール面と平行に矢印D方向にクラックが生成すると、クラックは、フランジ部12aと管状部12bとの分岐部分あたりで停止しやすくなり,ガス流路14へのクラックの伝搬が防止される。これは、シール面に垂直に矢印G方向へと加わる圧縮応力と、フランジ部12aおよび管状部12bが分岐していることとの相乗効果により、いずれか一方だけでは達成できない。
セルとガス流通部材とを連結する際に、両材料の熱膨張の違いから、より強度の弱いセルに熱応力が加わり、これが原因となってセルが破壊する可能性が考えられる。これを防ぐために、ガス流通部材と電気化学セルとの熱膨張係数差を2×10−6(/K)以下とすることが好ましく、また、ガス排出部材と電気化学セルとの熱膨張係数差を2×10−6(/K)以下とすることが好ましい。これら熱膨張係数差の測定は、25℃から800℃の間で行ったものである。
この観点からは、ガス流通部材の材質は、例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性および耐還元性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。
また、シール材の材質は特に限定されないが、電気化学セルの作動温度において耐酸化性と耐還元性を有する必要がある。具体的には、シリカを主成分とするガラス及び結晶化ガラス、金属ろうなどを例示できる。また、Oリング、Cリング、Eリングやメタルジャケットガスケット、マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる。
シール材の熱膨張係数とセルの熱膨張係数との差は、3.5×10−6(/K)以下であることか好ましい。この観点からは、シール材の材質は、シリカを主成分とするガラスおよび結晶化ガラス,金属ろうなどを例示できる.また,Oリング,Cリング,Eリングやメタルジャケットガスケット,マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる.
好適な実施形態においては、ガス流通部材がセラミックス製であり、このガス流通部材と前記電気化学セルとが共焼結されている。
図6(a)は、この実施形態に係るセル1およびガス流通部材12を示す断面図であり、図6(b)は、図6(a)の部分拡大図である。本例では、セル1とガス流通部材12とが共焼結されている。従って、両者のセラミックス組織が、ガス流通部材12のシール面19とセル主面1aとの間、管状部12bの外壁面とセルの壁面15との間において、それぞれ、微視的に見て連続している。この場合にも、矢印Gに示すようにシール面に垂直に圧縮応力が加わっている。クラックDが生成しても、ガス流路14にまで至る前に、フランジ部12aと管状部12b(または12c)との分岐部付近で停止する。In the present invention, the electrochemical cell is preferably plate-shaped. However, it is not limited to a flat plate shape, and may be a curved plate or a circular arc plate. The electrochemical cell includes a first electrode that contacts the first gas, a solid electrolyte membrane, and a second electrode that contacts the second gas.
Here, the first electrode and the second electrode are selected from an anode or a cathode. When one of these is an anode, the other is a cathode. Similarly, the first gas and the second gas are selected from oxidizing gas and reducing gas.
The oxidizing gas is not particularly limited as long as it is a gas that can supply oxygen ions to the solid electrolyte membrane, and examples thereof include air, diluted air, oxygen, and diluted oxygen. Examples of the reducing gas include H 2 , CO, CH 4 and a mixed gas thereof.
The electrochemical cell targeted by the present invention means a general cell for causing an electrochemical reaction. For example, the electrochemical cell can be used as an oxygen pump or a high temperature steam electrolysis cell. The high-temperature steam electrolysis cell can be used for a hydrogen production apparatus and a steam removal apparatus. Moreover, an electrochemical cell can be used as a decomposition cell for NOx and SOx. This decomposition cell can be used as a purification device for exhaust gas from automobiles and power generation devices. In this case, oxygen in the exhaust gas is removed through the solid electrolyte membrane, and NOx is electrolyzed and decomposed into N 2 and O 2, and oxygen generated by this decomposition can also be removed. Moreover, with this process, water vapor in the exhaust gas is electrolysis produced hydrogen and oxygen, the hydrogen reduces NOx into N 2. In a preferred embodiment, the electrochemical cell is a solid oxide fuel cell.
The material of the solid electrolyte is not particularly limited, and any oxygen ion conductor can be used. For example, it may be yttria stabilized zirconia or yttria partially stabilized zirconia, and in the case of a NOx decomposition cell, cerium oxide is also preferable.
The material of the cathode is preferably a perovskite complex oxide containing lanthanum, more preferably lanthanum manganite or lanthanum cobaltite, and even more preferably lanthanum manganite. Lanthanum cobaltite and lanthanum manganite may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt (in the case of lanthanum manganite), iron, nickel, aluminum or the like.
As a material for the anode, nickel-magnesia alumina spinel, nickel-nickel alumina spinel, nickel-zirconia, platinum-cerium oxide, ruthenium-zirconia and the like are preferable.
The form of each electrochemical cell is not particularly limited. The electrochemical cell may consist of three layers: an anode, a cathode and a solid electrolyte layer. Alternatively, the electrochemical cell may have, for example, a porous body layer in addition to the anode, the cathode, and the solid electrolyte layer.
In the present invention, the electrochemical cell is provided with a gas flow path for flowing the first gas and a through hole. The form of the gas flow path, the number and location of the through holes are not particularly limited. Further, it is preferable to provide a plurality of through holes and separate the gas supply through hole and the gas discharge through hole.
The specific form of the tubular portion of the gas distribution member is not limited. The cross-sectional shape of the tubular portion may be, for example, a polygon such as a perfect circle, an ellipse, a triangle, a quadrangle, or a hexagon.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrochemical cell 1 according to an embodiment of the present invention. 2A is a cross-sectional view of the cell of FIG. 1 taken along the line IIa-IIa, and FIG. 2B is a view of the cell of FIG. 1 taken along the line IIb-IIb. It is sectional drawing. FIG. 3 is a cross-sectional view of the cell of FIG. 1 taken along line III-III.
A
In the electrochemical cell 1, a first through
4A is a cross-sectional view showing a state where the
As shown in FIG. 4, the
As shown in FIG. 4 (b), the
As shown in FIG. 5, a plurality of cells 1 and a plurality of
As a result, the
According to such an apparatus, adjacent cells are separated by the gas flow member and do not contact each other. Adjacent
Here, when a holding structure in which the gas flow members are connected to each other is formed, a bending moment applied to the cell from the gas flow member may cause a crack along the seal interface between the gas flow member and the cell. . However, in the present invention, when stress is applied at the time of stacking as indicated by arrow G, the
When connecting the cell and the gas flow member, thermal stress is applied to the weaker cell due to the difference in thermal expansion between the two materials, and this may cause the cell to break. In order to prevent this, the difference in thermal expansion coefficient between the gas flow member and the electrochemical cell is preferably 2 × 10 −6 (/ K) or less, and the difference in thermal expansion coefficient between the gas discharge member and the electrochemical cell. Is preferably 2 × 10 −6 (/ K) or less. These differences in thermal expansion coefficient were measured between 25 ° C and 800 ° C.
From this viewpoint, examples of the material of the gas flow member include zirconia, magnesia, spinel ceramics, and a composite material of these. Further, it may be a metal as long as it has oxidation resistance and reduction resistance at the operating temperature of the electrochemical cell, and may be a pure metal or an alloy, such as nickel, inconel, nichrome, etc. Nickel-based alloys, iron-based alloys such as stainless steel, and cobalt-based alloys such as stellite are preferred.
The material of the sealing material is not particularly limited, but it needs to have oxidation resistance and reduction resistance at the operating temperature of the electrochemical cell. Specifically, glass mainly composed of silica, crystallized glass, metal brazing and the like can be exemplified. Also, compression seals such as O-rings, C-rings, E-rings, metal jacket gaskets, and mica gaskets can be exemplified.
The difference between the thermal expansion coefficient of the sealing material and the thermal expansion coefficient of the cell is preferably 3.5 × 10 −6 (/ K) or less. From this point of view, examples of the material of the sealing material include glass containing silica as a main component, crystallized glass, and metal brazing. Also, compression seals such as O-rings, C-rings, E-rings, metal jacket gaskets, and mica gaskets can be exemplified.
In a preferred embodiment, the gas flow member is made of ceramics, and the gas flow member and the electrochemical cell are co-sintered.
FIG. 6A is a cross-sectional view showing the cell 1 and the
以下、図1〜図5に示すようなセル1、ガス供給管およびガス排出管の連結構造を作製した。
具体的には、セル1の固体電解質6はイットリア安定化ジルコニアによって作製し、空気極は、ランタンマンガナイトによって作製し、燃料極はNi/YSZサーメットによって作製した。ガス供給管、排出管は酸化マグネシウムから作製した。フランジ部12aの長さ寸法を1mmとし、管状部12b、12cの外径は24mmとし、貫通孔4、5の径は9.2mmとした。ただし、比較例では、管状部12b、12cを設けなかった。実施例では管状部12b、12cおよびフランジ部12aを設けた。
シール材13はLiO2−Al2O3−SiO2系ガラスによって作製した。セルの熱膨張係数は、12.9×10−6(/K)であり、ガス供給管、排出管の熱膨張係数は、13.2×10−6(/K)であり、シール材の熱膨張係数は、10.0×10−6(/K)である。接着に際しては、セル、ガス供給管、ガス排出管およびシール材の組み立て体を1000°Cで加熱した。得られた各接着体の接合強度を測定し、結果を表1に示した。
図7(a)、(b)は、接合強度の測定方法を示す模式図である。すなわち、図7(a)に示すように、セル1を台座30に強固に固定した。そして、ガス流通部材12に対して応力Hを加えた。図7(b)に示すように、ガス流通部材12がセル1から剥離したときの応力Hを測定強度とした。
なお、連結部品の表面形状、特にフランジ部のシール面の表面形状は特に限定されない。例えば、フランジ部に凹部を形成し、シール材を凹部中にも充填させ、フランジ部とシール材との熱膨張差によってシール材を凹部に係合することができる。
また、フランジ部のシール材に対する接触面を粗面化処理することもできる。このような粗面化処理を行うことによって、ガス供給菅(排出菅)とセルとの接着強度を増大させることができる。
この粗面化処理は特に限定されないが、耐水研磨紙,サンドブラストを例示できる。また、フランジ部のシール材への接触面の算術平均表面粗さRaは、70μm以上であることが好ましく、90μm以上であることが更に好ましい。
本発明の特定の実施形態を説明してきたけれども、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の範囲から離れることなく、種々の変更や改変を行いながら実施できる。Hereinafter, a connection structure of the cell 1, the gas supply pipe and the gas discharge pipe as shown in FIGS.
Specifically, the
The sealing
7A and 7B are schematic views showing a method for measuring the bonding strength. That is, as shown in FIG. 7A, the cell 1 was firmly fixed to the
In addition, the surface shape of a connection component, especially the surface shape of the sealing surface of a flange part is not specifically limited. For example, a concave portion can be formed in the flange portion, the sealing material can be filled into the concave portion, and the sealing material can be engaged with the concave portion due to a difference in thermal expansion between the flange portion and the sealing material.
Moreover, the contact surface with respect to the sealing material of a flange part can also be roughened. By performing such a surface roughening treatment, the adhesive strength between the gas supply rod (discharge rod) and the cell can be increased.
The surface roughening treatment is not particularly limited, and water-resistant abrasive paper and sand blasting can be exemplified. Further, the arithmetic average surface roughness Ra of the contact surface of the flange portion with the sealing material is preferably 70 μm or more, and more preferably 90 μm or more.
Although specific embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to these specific embodiments and can be implemented with various changes and modifications without departing from the scope of the claims.
Claims (5)
前記電気化学セルが、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、前記第一のガスを流すガス流路が前記第一の電極の内部に形成されており、このガス流路と連通する貫通孔が前記電気化学セルに設けられており、
前記ガス流通部材が、前記貫通孔に挿通されている管状部と、前記電気化学セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、
隣接する前記ガス流通部材が互いに連結されておらず,複数の前記ガス流通部材と複数の前記電気化学セルの前記貫通孔とによってガス流路が形成されており、複数の前記電気化学セルが前記ガス流通部材によって互いに離間されていることを特徴とする、電気化学装置。An electrochemical device comprising a plurality of ceramic electrochemical cells and a plurality of gas flow members,
The electrochemical cell includes a first electrode in contact with the first gas, a solid electrolyte layer, and a second electrode in contact with the second gas, and a gas flow path for flowing the first gas Formed in the first electrode, a through hole communicating with the gas flow path is provided in the electrochemical cell;
The gas flow member includes a tubular portion inserted through the through-hole, and a flange portion having a seal surface sealed against one main surface of the electrochemical cell;
The adjacent gas flow members are not connected to each other, a gas flow path is formed by the plurality of gas flow members and the through holes of the plurality of electrochemical cells, and the plurality of electrochemical cells are Electrochemical device, characterized in that they are separated from each other by gas flow members.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008077500 | 2008-03-25 | ||
JP2008077500 | 2008-03-25 | ||
PCT/JP2009/054591 WO2009119310A1 (en) | 2008-03-25 | 2009-03-04 | Electrochemical apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2009119310A1 true JPWO2009119310A1 (en) | 2011-07-21 |
Family
ID=41113509
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010505519A Withdrawn JPWO2009119310A1 (en) | 2008-03-25 | 2009-03-04 | Electrochemical equipment |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPWO2009119310A1 (en) |
WO (1) | WO2009119310A1 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5451575B2 (en) * | 2010-11-01 | 2014-03-26 | 本田技研工業株式会社 | Water electrolysis equipment |
WO2015056320A1 (en) * | 2013-10-17 | 2015-04-23 | FCO Power株式会社 | Solid oxide fuel cell stack array |
DE102014209758A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-26 | Robert Bosch Gmbh | fuel cell device |
DE102014209754A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-26 | Robert Bosch Gmbh | fuel cell device |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1012262A (en) * | 1996-06-25 | 1998-01-16 | Kansai Electric Power Co Inc:The | Solid high polymer electrolyte fuel cell |
JP4023669B2 (en) * | 2001-10-23 | 2007-12-19 | 日本碍子株式会社 | Electrochemical equipment |
JP2004288493A (en) * | 2003-03-24 | 2004-10-14 | Kyocera Corp | Solid electrolyte fuel cell assembly |
WO2007029860A1 (en) * | 2005-09-07 | 2007-03-15 | Ngk Insulators, Ltd. | Electrochemical device and electrochemical apparatus |
EP2037526A4 (en) * | 2006-05-08 | 2011-11-30 | Panasonic Corp | Fuel cell stack, fuel cell system, and fuel cell system operation method |
WO2008123570A1 (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-16 | Ngk Insulators, Ltd. | Electrochemical device |
-
2009
- 2009-03-04 JP JP2010505519A patent/JPWO2009119310A1/en not_active Withdrawn
- 2009-03-04 WO PCT/JP2009/054591 patent/WO2009119310A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2009119310A1 (en) | 2009-10-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5313128B2 (en) | Electrochemical equipment | |
JP2007207749A (en) | Method for manufacturing solid oxide electrochemical device and solid oxide electrochemical device | |
JP2013101925A (en) | Stack structure of fuel cell | |
JP5335655B2 (en) | Stack structure of solid oxide fuel cell | |
JP2007317490A (en) | Solid electrolyte fuel cell stack | |
JP5417516B1 (en) | Fuel cell | |
JP2012238439A (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP4573526B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP2005149995A (en) | Cylindrical fuel cell | |
JP2013110093A (en) | Fuel cell structure | |
JP2015035417A (en) | Fuel cell stack structure | |
JPWO2009119310A1 (en) | Electrochemical equipment | |
JP2007053043A (en) | Manifold structure of fuel cell and method of manufacturing same | |
JP6644004B2 (en) | Electrically insulating three-layer gasket for SFOC unit | |
JP2004273213A (en) | Unit cell for fuel cells, its manufacturing method, and solid oxide fuel cell | |
JP2012226828A (en) | Structure of fuel cell | |
JP2004119300A (en) | Cylindrical solid oxide fuel cell (sofc) generator | |
JP2004022407A (en) | Electrochemical device | |
JP5646785B1 (en) | Fuel cell | |
JP5159382B2 (en) | Electrochemical cell | |
JP5620785B2 (en) | Fuel cell | |
JP2010153212A (en) | Electrochemical device | |
JP2010182438A (en) | Electrochemical device | |
JP2022181805A (en) | Electrolysis cell | |
JP2006324025A (en) | Flat plate type solid oxide fuel cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20120605 |