KR20180126525A - 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템 - Google Patents

전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템 Download PDF

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KR20180126525A
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미쓰아키 에치고
히사오 오니시
오사무 야마자키
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오사까 가스 가부시키가이샤
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Abstract

전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 복수의 전기 화학 반응부를 가지고, 금속 기판(1)은, 금속 기판(1)의 표면측(4)과 이면측(5) 사이에서의 기체의 통류(通流)를 허용하는 기체 통류 허용 영역을 가지고, 전기 화학 반응부는, 전극층(A)과, 전해질층(B)과, 대전극층(C)을 적어도 가지고, 금속 기판(1)의 표면측(4)에 배치되어 있고, 전해질층(B)은, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 배치되어 있고, 전극층(A)에, 기체 통류 허용 영역을 통류한 기체가 공급된다.

Description

전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템
본 발명은, 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템에 관한 것이다.
종래의 고체산화물형 연료 전지(이하 「SOFC」라고 함)는, 주로 세라믹스 재료를 지지 기판으로 하는 구조로 개발이 진행되고 있다. 그리고, SOFC의 성능을 향상시키기 위하여, 하나의 지지 기판의 위에 복수의 발전체를 나란히 배치한 SOFC의 개발이 진행되고 있다.
특허문헌 1에는, 예를 들면, 세라믹스인 CSZ(칼시아(Calsia) 안정화 지르코니아)의 다공질 재료로 이루어지는 평판형의 소성체를 지지 기판으로 하고, 그 하나의 지지 기판의 위에, 연료극·고체전해질막·반응방지막·공기극(空氣極)으로 이루어지는 적층체(발전체)가 복수 배치된 「가로 줄무늬형」으로 불리는 SOFC가 개시되어 있다.
일본공개특허 제2012-38696호 공보
고가이며 깨지기 쉬운 세라믹스를 지지 기판으로 하는 경우, 어느 정도의 강도를 가지게 하기 위해서는, 지지 기판의 두께를 상당히 두껍게 할 필요가 있으므로, 고비용이 되고, 사이즈나 중량도 커지는 과제가 있다. 또한, 세라믹스의 지지 기판을 사용하여, 하나의 지지 기판 상에 복수의 발전체를 나란히 배치하는 미세한 가공을 행하는 것은 곤란하며, 가공 비용도 높아지는 과제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 재료 비용과 가공 비용을 억제하면서, 콤팩트하며 고성능인, 강도와 신뢰성이 우수한 전기 화학 소자를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 화학 소자의 특징적 구성은, 금속 기판과, 복수의 전기 화학 반응부를 가지고,
상기 금속 기판은, 상기 금속 기판의 표면측과 이면측의 사이에서의 기체의 통류(通流)를 허용하는 기체 통류 허용 영역을 가지고,
상기 전기 화학 반응부는, 전극층과, 전해질층과, 대전극층(counter electrode layer)을 적어도 가지고, 상기 금속 기판의 표면측에 배치되어 있고, 적어도 상기 전극층과 상기 대전극층의 사이에, 상기 전해질층이 배치되어 있고, 상기 전극층에, 상기 기체 통류 허용 영역을 통류한 기체가 공급되는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 얇아도 충분한 강도를 가지는 금속 기판의 위에, 복수의 전기 화학 반응부를 배치하므로, 재료 비용과 가공 비용을 억제하면서, 콤팩트하며 고성능인, 강도와 신뢰성이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 상기 금속 기판은, 서로 이격된 복수의 상기 기체 통류 허용 영역을 가지고 있고, 상기 전기 화학 반응부의 상기 전해질층이, 적어도 각각의 상기 기체 통류 허용 영역 혹은 상기 기체 통류 허용 영역에 설치된 상기 전극층 중 적어도 일부를 덮어서 배치되는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속 기판의 위에 복수의 전기 화학 소자를 나란히 배치하는 경우라도, 가스타이트(gastight)한 전해질층에 의해 가스의 실링을 행할 수 있으므로, 콤팩트하며 고성능인, 강도와 신뢰성이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있다. 즉, 전해질층이 적어도 각각의 기체 통류 허용 영역 혹은 상기 기체 통류 허용 영역에 설치된 전극층을 덮어서 배치됨으로써, 금속 기판의 이면측으로부터 기체 통류 허용 영역을 통류하여 전극층에 공급된 기체가, 금속 기판의 표면측으로 누출되는 것을 억제할 수 있어, 전기 화학 소자로서의 성능·신뢰성을 높일 수 있어 바람직하다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 상기 금속 기판의 표면측에서의, 적어도 상기 금속 기판과 상기 전극층이 접촉하는 영역에, 금속 산화물 피막이 형성되어 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속 산화물 피막에 의해 금속 기판으로부터 Cr 등의 성분이 전극층으로 확산하는 것을 억제할 수 있으므로, 전기 화학 반응부의 성능 저하를 억제하여, 전기 화학 반응부의 성능을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 상기 금속 기판의 표면측에서의, 적어도 전극층과 전해질층·대전극층 중 어디에도 덮혀져 있지 않은 영역에, 금속 산화물 피막이 형성되어 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속 기판으로부터 산화 Cr 등의 성분이 증발하여 대전극층 등과 반응하여 고저항 성분이 생성하는 것을 금속 산화물 피막에 의해 억제할 수 있으므로, 전기 화학 반응부의 성능 저하를 억제하여, 전기 화학 반응부의 성능을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 상기 금속 산화물 피막이, 적어도 상기 금속 기판에 포함되는 금속 원소를 함유하는 산화물인 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속 기판 상에 전극층 등의 전기 화학 반응부를 형성하는 공정에서 금속 기판 표면을 산화시켜 금속 산화물 피막을 함께 형성 가능하게 되므로, 금속 산화물 피막을 별도 형성하는 공정을 생략할 수 있고, 재료 비용·가공 비용을 저감할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 상기 금속 산화물 피막이 절연 피막인 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기적 절연성을 가지는 피막에 의해 금속 기판과 전극층이 절연되므로, 복수의 전기 화학 반응부의 사이의 금속 기판을 경유한 도통(導通)을 억제할 수 있다. 특히, 금속 기판 상에 복수 형성된 전기 화학 반응부를 직렬 접속하는 경우에는, 전기 화학 반응부로부터 금속 기판으로의 누설(漏泄) 전류를 억제할 수 있으므로, 전기 화학 반응부의 성능을 높일 수 있다. 또한, 금속 기판 상에 복수 형성된 전기 화학 반응부를 병렬 접속하는 경우에는, 금속 기판과 전극층의 사이에 도통 패스(path)를 별도로 설치해도 된다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 상기 금속 기판에 Si, Al 및 2족 원소∼7족 원소 중 적어도 하나가 함유되어 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 예를 들면, 공기 중에서의 가열 등의 간단한 처리에 의해, 금속 기판의 표면에 실리카나 알루미나, 2족 원소∼12족 원소 산화물을 함유하는 절연 피막을 형성할 수 있으므로, 재료 비용과 제조 비용을 억제한 저비용의 전기 화학 소자를 얻을 수 있다. 그리고, 예를 들면, 상기 금속 기판의 재료로서, Si와 Al 중 적어도 한쪽이 1중량%∼5중량% 정도 함유되어 있는 금속 재료를 사용하면, 소성(燒成) 처리에 의해, 그 표면에 용이하게 절연 피막을 형성할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, Si와 Al 중 적어도 한쪽이 3중량%∼5중량% 정도 함유되어 있는 금속 재료를 사용하면, 소성 처리에 의해, 그 표면에 더욱 용이하게 절연 피막을 형성할 수 있으므로 보다 바람직하다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 복수의 상기 전기 화학 반응부가 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 복수의 전기 화학 반응부가 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 것에 의해, 전기 화학 소자로부터 외부로의 전기적 접속을 위한 구조를 간편화할 수 있다. 또한, 전기 화학 반응부가 연료 전지로서 동작하는 경우, 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 것에 의해, 전기 화학 반응부에서 생기는 전압을 합쳐서 전기 화학 소자로부터 출력할 수 있으므로, 하나의 전기 화학 소자의 출력 전압을 높일 수 있어 바람직하다.
그리고, 하나의 상기 전기 화학 반응부의 상기 전극층과, 다른 상기 전기 화학 반응부의 상기 대전극층을 전기적으로 접속함으로써, 복수의 상기 전기 화학 반응부를 전기적으로 직렬로 접속할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은, 복수의 상기 전기 화학 반응부가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 복수의 전기 화학 반응부가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 것에 의해, 전기 화학 소자로부터 외부로의 전기적 접속을 위한 구조를 간편화할 수 있다. 또한, 전기 화학 반응부가 연료 전지로서 동작하는 경우, 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 것에 의해, 전기 화학 반응부에서 생기는 전류를 합쳐서 전기 화학 소자로부터 출력할 수 있으므로, 하나의 전기 화학 소자의 출력전류를 높일 수 있어 바람직하다.
그리고, 하나의 상기 전기 화학 반응부의 상기 전극층과, 다른 상기 전기 화학 반응부의 상기 전극층을 전기적으로 접속함으로써, 복수의 상기 전기 화학 반응부를 전기적으로 병렬로 접속할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 소자가 복수 집합된 상태에서 배치되는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전술한 전기 화학 소자가 복수 집합된 상태에서 배치되므로, 재료 비용과 가공 비용을 억제하면서, 콤팩트하며 고성능인, 강도와 신뢰성이 우수한 전기 화학 모듈을 얻을 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 모듈과 개질기(改質器)를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈과 개질기를 가지고 전기 화학 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지므로, 도시 가스 등의 기존의 원연료 공급 인프라스트럭쳐(infrastructure)를 사용하고, 내구성(耐久性)·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈로부터 전력을 추룰할 수 있어, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 장치를 실현할 수 있다. 또한, 전기 화학 모듈로부터 배출되는 미이용의 연료 가스를 리사이클하는 시스템을 구축하기 쉬우므로, 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 화학 장치의 다른 특징적 구성은, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 추출하는 인버터를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈로부터 전력을 추출하는 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 시스템의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부을 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 장치와, 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부를 가지므로, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수하고, 또한 에너지 효율도 우수한 에너지 시스템을 실현할 수 있다. 그리고, 전기 화학 장치로부터 배출되는 미이용의 연료 가스 연소열을 이용하여 발전하는 발전 시스템과 조합하여 에너지 효율이 우수한 하이브리드 시스템을 실현할 수도 있다.
도 1은 전기 화학 소자의 구조를 나타낸 정면도, 단면도 및 적층 구조를 나타내는 상면도이다.
도 2는 전기 화학 소자의 구조를 나타낸 정면도, 단면도 및 적층 구조를 나타내는 상면도이다.
도 3은 전기 화학 소자의 구조를 나타낸 정면도, 단면도 및 적층 구조를 나타내는 상면도이다.
도 4는 전기 화학 소자의 구조를 나타낸 정면도, 단면도 및 적층 구조를 나타내는 상면도이다,.
도 5는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 7은 전기 화학 모듈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 8은 전기 화학 모듈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 9는 전기 화학 모듈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 10은 전기 화학 장치 및 에너지 시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 11은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 12는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 13은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 14는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 15는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 16은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 17은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 18은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 19는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 20은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 21은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 22는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 23은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 24는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 25는 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 26은 전기 화학 모듈의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 27은 전기 화학 소자의 구조를 나타낸 정면도 및 단면도이다.
도 28은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 상면도
도 29는 금속 기판의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 30은 전기 화학 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
<제1 실시형태>
이하, 제1 실시형태에 따른 전기 화학 소자에 대하여 도 1에 기초하여 설명한다. 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 복수의 전기 화학 반응부(R)를 가진다. 금속 기판(1)은, 금속 기판(1)의 표면측(4)과 이면측(5)의 사이에서의 기체의 통류를 허용하는 기체 통류 허용 영역(P)을 가진다. 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A)과, 전해질층(B)과, 대전극층(C)을 적어도 가지고, 금속 기판(1)의 표면측(4)에 배치되어 있다. 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이의 일부에, 전해질층(B)이 배치되어 있고, 전극층(A)에, 기체 통류 허용 영역(P)을 통류한 기체가 공급된다.
본 실시형태에서는, 직사각형의 금속 기판(1)의 표면 상에, 금속 기판(1)의 장변을 따라 5개의 전기 화학 반응부(R)(제1 전기 화학 반응부(R1), 제2 전기 화학 반응부(R2), 제3 전기 화학 반응부(R3), 제4 전기 화학 반응부(R4) 및 제5 전기 화학 반응부(R5)가 배치된다.
또한 본 실시형태에서는, 전기 화학 반응부(R)는 금속 기판(1)의 표면에 31개의 층을 형성하여 구성된다. 금속 기판(1)에 접하는 제1층에는 전극층(A), 전해질층(B) 및 절연층(D)이 포함된다. 제1층의 상측의 제2층에는 전해질층(B), 절연층(D) 및 도통층(E)이 포함된다. 그리고, 제2층의 상측, 즉 최상층의 제3층에는 대전극층(C)이 포함된다.
이하, 금속 기판(1)과 전기 화학 반응부(R)의 구성에 대하여 설명하고, 그 다음으로 복수의 상기 전기 화학 반응부(R)의 배치 및 상세 구조와, 전기 화학 소자(Q)가 연료 전지로서 동작하는 경우에 대하여 설명한다.
그리고 도 1의 상단은, 전기 화학 소자(Q)를 그 길이 방향에 수직인 방향으로부터 본 정면도이다. 도 1의 중단은, 상단과 동일한 방향으로부터 본 전기 화학 소자(Q)의 단면도이다. 도 1의 하단은, 금속 기판(1)의 표면측(4)으로부터 전기 화학 소자(Q)를 본 상면도이다. 그리고 이하, 직사각형의 금속 기판(1)의 길이 방향을 간단히 「길이 방향」이라고 하고, 직사각형의 금속 기판(1)의 폭 방향을 간단히 「폭 방향」이라고 하는 경우가 있다.
도 1의 하단 상면도에서는, 전기 화학 소자(Q)의 층상(層狀) 구조의 설명을 위해, 제1층, 제2층 및 제3층의 일부를 제거한 상태가 나타나 있다. 도 1의 하단 상면도에서의 각 층 제거 위치를 나타낸 선(굵은 선)이, 도 1의 상단 정면도에 나타나 있다. 상세한 내용은, 제2 전기 화학 반응부(R2)의 중앙으로부터 제3 전기 화학 반응부(R3)의 중앙까지는, 상측의 제3층(대전극층(C))을 제거한 상태가 나타나 있다. 제3 전기 화학 반응부(R3)의 중앙으로부터 제4 전기 화학 반응부(R4)의 중앙까지는, 제3층과 제2층(전해질층(B), 절연층(D) 및 도통층(E))을 제거한 상태가 나타나 있다. 제4 전기 화학 반응부(R4)의 중앙으로부터 제5 전기 화학 반응부(R5)의 중앙까지는, 제3층, 제2층 및 제1층(전극층(A), 전해질층(B), 절연층(D))을 제거한 상태가 나타나 있다.
<금속 기판>
금속 기판(1)은, 금속제의 직사각형의 평판이다. 금속 기판(1)에는, 표면측(4)과 이면측(5)을 관통하여 복수의 관통공(2)이 형성되어 있다. 이 관통공(2)을 통하여 금속 기판(1)의 표면측(4)과 이면측(5)의 사이에서 기체의 통류가 가능하게 되어 있다. 본 실시형태에서는, 복수의 관통공(2)이, 금속 기판(1)의 장변과 단변에 평행한 격자(格子)의 교점 위치에 형성되어 있다. 그리고, 금속 기판(1)은, 지지체로서 전기 화학 소자를 형성하기에 충분한 강도를 가지면 되고, 예를 들면, 0.1mm∼2mm 정도, 바람직하게는 0.1mm∼1mm 정도, 보다 바람직하게는 0.1mm∼0.5mm 정도의 두께를 사용할 수 있다. 또한, 금속 기판(1)에는, 소결(燒結) 금속이나 발포 금속 등을 사용할 수도 있다.
그리고 5개의 전기 화학 반응부(R)에 대응하는 위치에, 복수의 관통공(2)이 모인 영역인 기체 통류 허용 영역(P)이 5개(제1 기체 통류 허용 영역(P1), 제2 기체 통류 허용 영역(P2), 제3 기체 통류 허용 영역(P3), 제4 기체 통류 허용 영역(P4), 제5 기체 통류 허용 영역(P5))이 형성되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 기체 통류 허용 영역(P)은 관통공(2)에 의해 구성되어 있다. 5개의 기체 통류 허용 영역(P)은, 길이 방향으로 서로 이격되어 형성되어 있다. 기체 통류 허용 영역(P)의 사이는, 금속 기판(1)의 표면측(4)과 이면측(5)의 사이에서 기체의 통류가 금지되는 영역(기체 통류 금지 영역)이다.
금속 기판(1)의 표면에는, 절연 피막(3)(금속 산화물 피막)이 형성되어 있다. 절연 피막(3)은, 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과 금속 기판(1)의 사이를 절연하고, 이로써, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)의 사이의 절연을 실현하고 있다. 따라서 절연 피막(3)은, 금속 기판(1)의 적어도 표면측에 형성되어 있으면 되며, 적어도 금속 기판(1)과 전극층(A)이 접촉하는 영역에 형성되어 있으면 된다. 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 전체면에 걸쳐 절연 피막(3)이 형성되어 있다. 그리고 본 실시형태에서는 후술하는 바와 같이, 전기 화학 소자(Q)와 외부와의 전기적 접속을 위해, 제1 전기 화학 반응부(R1)에 인접하여 도통층(E)이 형성되어 있다. 이 도통층(E)과 금속 기판(1)이 접촉하는 영역에도 절연 피막(3)이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
절연 피막(3)의 저항값으로서는, 1kΩ·cm2 정도 이상이면 되고, 10kΩ·cm2 정도 이상이면, 전기 화학 소자(Q)를 연료 전지로서 동작시킨 경우라도 충분한 기전력과 전류량을 확보할 수 있어 바람직하다.
절연 피막(3)은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있지만, 금속 기판(1)의 표면을 산화시켜 금속 산화물로 하는 방법이 바람직하게 이용된다. 그리고 Cr을 포함하는 합금을 SOFC의 셀간 접속 부재로서 사용하는 경우, Cr의 비산(飛散)을 억제하기 위해 셀간 접속 부재의 표면에 산화물 피막을 형성하여 확산 방지막으로 하는 경우가 있다. 이 경우, 확산 방지막에서의 전압 강하를 저감시키기 위하여, 확산 방지막은 가급적 얇게 형성하여 저항값을 낮게 한다. 본 실시형태의 절연 피막(3)은 확산 방지막과는 달리, 전술한 바와 같이 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이를 절연하며, 이로써 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)의 사이를 절연하기 위하여, 저항값이 높아지도록 형성된다. 그리고 절연 피막(3)은, 금속 산화물의 피막인 점에서 공통되므로, 확산 방지막으로서의 기능(예를 들면, Cr 비산의 억제)을 함께 가질 수 있다.
또한, 절연 피막(3)은, 금속 기판(1)의 표면에, 절연성이 높은 실리카나 알루미나, 2족 원소∼12족 원소 산화물 등을 포함하는 산화물 피막을 스퍼터링법이나 PLD법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이코팅법 등에 의해 형성할 수도 있고, 도금과 산화 처리에 의해 형성할 수도 있다.
금속 기판(1)의 재료로서는, 내열성, 내 산화성 및 내부식성(耐腐食性)이 우수한 금속 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스강, 오스테나이트계 스테인레스강, 니켈기 합금 등이 사용된다. 특히, 크롬을 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 예를 들면, Cr을 15중량%∼25중량% 정도 포함하는 Fe-Cr계 합금 재료의 경우, 그 위에 형성하는 전극층(A)이나 전해질층(B)의 재료와 열팽창율이 유사하게 되어, 신뢰성·내구성이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있으므로, 바람직하다. 또한, Cr을 70중량% 이상 포함하는 Cr이 풍부한 Cr-Fe계 합금을 사용할 수도 있다. 또한, Ni-Cr-Al계나 Fe-Cr-Al계의 합금 등도 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, Si와 Al 중 적어도 한쪽이 함유되어 있는 재료가 바람직하게 사용된다. 이 경우에, 대기 분위기 하나 산소 분압을 제어한 분위기 하에서 금속 기판(1)을 열처리함으로써, 적절한 저항값을 가지는 절연 피막(3)을 금속 기판(1)의 표면에 바람직하게 형성할 수 있다. 예를 들면, 금속 기판(1)의 재료로서, Si와 Al 중에 적어도 한쪽이 1중량%∼5중량% 정도 함유되어 있는 금속 재료를 사용하면, 소성 처리에 의해, 그 표면에 용이하게 절연 피막(3)을 형성할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, Si와 Al 및 2족 원소∼12족 원소의 중 적어도 한쪽이 3중량%∼5중량% 정도 함유되어 있는 금속 재료를 사용하면, 소성 처리에 의해, 그 표면에 더욱 용이하게 절연 피막(3)을 형성할 수 있으므로 보다 바람직하다.
<통형(筒形) 가스 유통부>
본 실시형태에서는, 금속 기판(1)에 U자 부재(11)와 커버부(12)가 접합되어, 통형 가스 유통부(10)를 형성하고 있다. U자 부재(11)는, 길이 방향에 직교하는 단면(斷面)이 U자형인 부재이다. 금속 기판(1)의 장변과 U자 부재(11)의 장변(U자의 2개의 정상점(頂点)에 대응하는 변)이 접합되고, 형성된 통의 한쪽의 단부(端部)가 커버부(12)로 막혀져 있다. 이로써, 내부에 내부 공간(22)을 가지고 전체로서 평판혹은 평봉형의 통형 가스 유통부(10)가 구성되어 있다. 금속 기판(1)은, 통형 가스 유통부(10)의 중심축에 대하여 평행하게 배치된다.
커버부(12)에는 구멍(기체 유출구(13))이 복수 형성되어 있다. 그리고, 통형 가스 유통부(10)의 커버부(12)와는 반대측의 단부는 개방되며, 이로써 기체 유입구(21)가 형성되어 있다. 이로써, 전기 화학 소자(Q)의 동작 시에는, 통형 가스 유통부(10)의 개방된 단부로부터 유입된 기체는, 통형 가스 유통부(10)의 내부 공간(22)을 통류하고, 금속 기판(1)의 기체 통류 허용 영역(P)을 통류하여 표면측(4)에 도달하고, 전극층(A)에 공급된다. 잔여 기체는, 커버부(12)의 기체 유출구(13)로부터 유출한다.
U자 부재(11)와 커버부(12)의 재료로서는, 금속 기판(1)과 동일한 재료를 사용하면, 통형 가스 유통부(10) 전체에서 열팽창 계수 등의 물성이 통일되므로 바람직하다. 또한 금속 기판(1)을 비롯한 통형 가스 유통부(10)의 재료에 페라이트계 스테인레스강을 사용한 경우, 전기 화학 반응부(R)에서 재료에 사용되는 YSZ(이트륨 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌리늄·도프·세리아, CGO라고도 함) 등과 열팽창 계수가 유사하게 된다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우도 전기 화학 소자(Q)가 데미지를 받기 어렵다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
그리고 통형 가스 유통부(10)의 재료로서는, 열전도율이 3Wm-1K-1을 상회하는 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 10Wm-1K-1을 상회하는 재료이면 더욱 바람직하다. 예를 들면, 스테인레스강이면 열전도율이 15∼30 Wm-1K-1 정도이므로, 통형 가스 유통부(10)가 재료로서 바람직하다.
또한, 통형 가스 유통부(10)의 재료로서는, 취성 파괴를 일으키지 않는 고인성(高靭性) 재료인 것이 더욱 바람직하다. 세라믹스 재료 등과 비교하여 금속 재료는 고인성이며, 통형 가스 유통부(10)가 재료로서 바람직하다.
그리고, 통형 가스 유통부(10)에 있어서, 금속 기판(1)의 기체 통류 허용 영역(P)을 제외한 부위는, 통형 가스 유통부(10)의 내부 공간(22)으로부터 외측으로 기체가 통류할 수 없도록 구성하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 기체 통류 허용 영역(P)을 제외한 통형 가스 유통부(10)의 부위는, 결정성(結晶性)의 금속 등의 기체를 투과하지 않는 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 금속 기판(1)의 기체 통류 허용 영역(P)은, 전술한 관통공(2) 대신, 다공질 금속의 판 등에 의해 형성하는 것도 가능하다.
<전기 화학 반응부>
본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A)과, 전해질층(B)과, 대전극층(C)과, 중간층을 가진다.
<전극층>
전극층(A)은, 금속 기판(1)의 표면측(4)의 표면, 즉 절연 피막(3) 위에, 막의 상태로 형성된다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 전극층 재료의 사용량을 저감하여 코스트 다운을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
전극층(A)의 재료로서는, 예를 들면, NiO-산화 세륨(세리아)을 주성분으로 하는 것, Ni-산화 세륨(세리아)을 주성분으로 하는 것, NiO-지르코니아를 주성분으로 하는 것, Ni-지르코니아를 주성분으로 하는 것, CuO-산화 세륨(세리아)을 주성분으로 하는 것, Cu-산화 세륨(세리아)을 주성분으로 하는 것 등의 복합재를 사용할 수 있다. 그리고, 산화 세륨(세리아), 지르코니아 등 혹은 이들에 이종(異種) 원소를 도프한 고용체(固溶體)를 복합재의 골재라고 한다. 전극층(A)은, 기체 투과성을 구비하도록 형성된다. 예를 들면, 전극층(A)의 표면 및 내부에 미세한 복수의 세공(細孔)을 가지도록 구성된다.
전극층(A)은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나, 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이 코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서의 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 양호한 전극층(A)이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
<전해질층>
전해질층(B)은, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 막형(膜形)으로 설치된다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼50㎛ 정도, 바람직하게는 1㎛∼20㎛ 정도, 보다 바람직하게는 2㎛∼10㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 전해질층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 전해질성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
전해질층(B)의 재료로서는, 다양한 지르코니아계 재료, 산화 세륨계 재료, 다양한 페로브스카이트계 복합 산화물 등의 산화물 이온이나 수소 이온을 전도 가능한 고체 전해질 재료를 사용할 수 있다. 특히 지르코니아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다. 전해질층(B)을 지르코니아계 세라믹스로 하면, 전기 화학 소자(Q)의 가동 시의 온도를 세리아계 세라믹스에 비해 높게 할 수 있어, 매우 고효율의 전기 화학 소자(Q)를 구성할 수 있다.
전해질층(B)은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나, 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이 코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 치밀하며 기밀성이 높은 전해질층(B)이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
전해질층(B)은, 기밀성을 유지하기 위해 치밀하게 구성된다. 그리고, 전해질층(B)에, 상대 밀도가 90% 이상인 층이 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상대 밀도가 95% 이상인 층이 포함되는 것이 보다 바람직하고, 상대 밀도가 98% 이상인 층이 포함되는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이, 상대 밀도를 높게 함으로써 전해질층(B)을 치밀한 것으로 할 수 있다. 그리고, 여기서 상대 밀도란, 전해질 재료의 이론 밀도에 대하여 실제로 형성된 전해질층(B)의 밀도의 비율을 나타낸다.
<대전극층>
대전극층(C)은, 전해질층(B) 위에 막형으로 설치된다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 5㎛∼50㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 대전극층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 대전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
대전극층(C)의 재료로서는, 예를 들면, LSCF(La-Sr-Co-Fe계 산화물), LSC(La-Sr-Co계 산화물), LSM(La-Sr-Mn계 산화물), SSC(Sm-Sr-Co계 산화물), SDC(Ce-Sm계 산화물) 등의 복합 산화물을 사용할 수 있다. 그리고 대전극층(C)은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이 코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 양호한 대전극층(C)이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
<중간층>
그리고, 전극층(A)과 전해질층(B)의 사이에 중간층이 막의 상태로 형성되어 있어도 된다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 5㎛∼20㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 중간층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 중간층 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
중간층의 재료로서는, 예를 들면, 산화 세륨계 재료나 지르코니아계 재료 등을 사용할 수 있다. 중간층을 전극층(A)과 전해질층(B)의 사이에 도입함으로써, 전기 화학 반응부(R)의 성능이나 신뢰성, 내구성을 향상시킬 수 있다. 그리고 중간층은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이 코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 양호한 중간층이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
또한 전해질층(B)과 대전극층(C)의 사이에, 중간층이 막의 상태로 형성되어 있어도 된다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 5㎛∼20㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 중간층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 중간층 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
중간층의 재료로서는, 예를 들면, 산화 세륨계 재료나 지르코니아계 재료 등을 사용할 수 있다. 중간층을 전해질층(B)과 대전극층(C)의 사이에 도입함으로써, 대전극층(C)의 구성 재료와 전해질층(B)의 구성 재료와의 반응이 효과적으로 억제되어, 전기 화학 반응부(R)의 성능의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 그리고 중간층은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이 코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 양호한 중간층이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
이상 설명한 중간층은, 한쪽만, 혹은 양쪽을 설치할 수 있다. 즉, 전극층(A), 전해질층(B), 중간층, 대전극층(C)을 이 순서로 적층한 구성도 가능하다. 전극층(A), 중간층, 전해질층(B), 대전극층(C)을 이 순서로 적층한 구성도 가능하다. 전극층(A), 중간층, 전해질층(B), 중간층, 대전극층(C)을 이 순서로 적층한 구성도 가능하다.
<전기 화학 반응부(R)에서의 전기 화학 반응>
이상과 같이 구성된 전기 화학 반응부(R)는, 기체의 공급을 받아, 전기 화학 반응을 생기게 한다.
전기 화학 반응부(R)가 연료 전지로서 동작하는 경우 중, 전해질로서 산화물 이온 도전체를 사용하는 경우에는, 전극층(A)에 예를 들면, 수소 가스를 포함하는 연료가 공급되고, 대전극층(C)에 산소을 포함하는 가스가 공급된다. 이렇게 되면, 대전극층(C)에 있어서 산소 분자(O2)가 전자(e-)와 반응하여 산소 이온(산화물 이온)(O2-)이 생성된다. 이 산소 이온(O2-)이 전해질층(B)을 통하여 전극층(A)으로 이동한다. 전극층(A)에 있어서는, 수소 분자(H2)가 산소 이온(O2-)과 반응하여, 물(H2O)과 전자(e-)가 생성된다. 전해질로서 수소 이온 도전체를 사용하는 경우에는, 전극층(A)에 있어서는, 수소 분자(H2)가 전자(e-)를 방출하여 프로톤(수소 이온)(H+)이 생성된다. 그 수소 이온(H+)이 전해질층(B)을 통하여 대전극층(C)으로 이동한다. 대전극층(C)에 있어서 산소 분자(O2)가 수소 이온(H+)과 반응하여, 전자(e-)을 소비하여 물(H2O)이 생성된다.
이상의 반응에 의해, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 기전력이 발생하여, 발전이 행해진다.
전기 화학 반응부(R)가 전해 셀로서 동작하는 경우 중, 전해질로서 산화물 이온 도전체를 사용하는 경우에는, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 전압이 인가 되면, 전극층(A)에 있어서 물 분자(H2O)가 전자(e-)을 받아서 수소 분자(H2)와 산소 이온(산화물 이온)(O2-)을 생성한다. 산소 이온(O2-)은 전해질층(B)을 통하여 대전극층(C)으로 이동한다. 대전극층(C)에 있어서 산소 이온(O2-)이 전자를 방출하여 산소 분자(O2)가 된다. 전해질로서 수소 이온 도전체를 사용하는 경우에는, 대전극층(C)에 있어서 물(H2O)로부터 산소 분자(O2)와 수소 이온(H+)이 생성하고 전자(e-)를 방출한다. 수소 이온(H+)은 전해질층(B)을 통하여 전극층(A)으로 이동하고, 전극층(A)에 있어서는, 수소 이온(H+)이 전자(e-)와 반응하여 수소 분자(H2)가 생성된다.
이상의 반응에 의해, 물 분자(H2O)가 수소(H2)와 산소(O2)로 전기 분해된다.
<전기 화학 반응부의 전기적 접속>
이하의 설명에서는, 제1 전기 화학 반응부(R1)의 전극층(A), 전해질층(B) 및 대전극층(C)을, 제1 전극층(A1), 제1 전해질층(B1), 제1 대전극층(C1)이라고 한다. 제2 전기 화학 반응부(R2)의 전극층(A), 전해질층(B) 및 대전극층(C)을, 제2 전극층(A2), 제2 전해질층(B2), 제2 대전극층(C2)이라고 한다. 제3 이후의 전기 화학 반응부(R)에 대해서도 동일하다.
본 실시형태에서는, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 대전극층(C)이 전기적으로 접속되어 있다.
도 1의 중단의 단면도에 기초하여, 제1 전기 화학 반응부(R1)와 제2 전기 화학 반응부(R2)의 접속에 대하여 설명한다. 제1층 및 제2층에 있어서, 제1 전기 화학 반응부(R1)와 제2 전기 화학 반응부(R2)의 사이에, 절연층(D)과 도통층(E)이 형성되어 있다. 이들 절연층(D) 및 도통층(E)에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)와 제2 전기 화학 반응부(R2)의 사이의 직렬 접속이 실현되고 있다.
절연층(D)은, 예를 들면, 알루미나 등의 절연성의 금속 산화물에 의해 구성할 수 있다. 본 실시형태에서는, 절연층(D)은 치밀하게 형성되고, 기체 투과성을 억제한 가스타이트한 상태에서 형성된다.
도통층(E)은, 인터 커넥터라고도 불리지만, 예를 들면, LaCrO3(란탄크로마이트)나 SrTiO3(스트론튬티타네이트) 등의 도전성을 가지는 금속 산화물에 의해 구성할 수 있다. 본 실시형태에서는, 도통층(E)은 치밀하게 형성되고, 기체 투과성을 억제한 가스타이트한 상태에서 형성된다.
제1층에 있어서, 제1 전극층(A1)과 제2 전극층(A2)의 사이에 절연층(D)이 형성되어 있다. 제2층에 있어서, 제1 전해질층(B1)과 제2 전해질층(B2)의 사이에, 절연층(D)과 도통층(E)이 형성되어 있다. 제2층의 절연층(D)은, 제1층의 절연층과 제1 전극층(A1)의 양쪽에 걸쳐 형성되어 있다. 도통층(E)은, 제1층의 절연층과 제2 전극층(A2)의 양쪽에 걸쳐 형성되어 있다. 제3층에 있어서, 제1 대전극층(C1)은, 제1 전해질층(B1) 위로부터, 제2층의 절연층(D)을 넘어서, 도통층(E)까지에 걸쳐 형성되어 있다. 즉 제2층의 도통층(E)은, 제1 대전극층(C1)과 제2 전극층(A2)의 양쪽에 접촉하고, 전기적으로 접속되어 있다.
이상의 구성에 의해, 제1 전극층(A1)과 제2 전극층(A2)의 사이는, 절연층(D)의 존재에 의해 절연된다. 그리고 제1 대전극층(C1)과 제2 전극층(A2)의 사이는, 도통층(E)의 존재에 의해 전기적으로 접속된다.
전기 화학 반응부(R)가 연료 전지로서 동작하는 경우, 전술한 바와 같이, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 기전력이 생긴다. 이렇게 되면, 제1 대전극층(C1)과 제2 전극층(A2)이 전기적으로 접속되어 있는 것에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)의 기전력과 제2 전기 화학 반응부(R2)의 기전력이 합쳐진 기전력이, 제1 전극층(A1)과 제2 대전극층(C2)의 사이에 생기게 된다. 즉 이 경우에, 제1 전기 화학 반응부(R1)와 제2 전기 화학 반응부(R2)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
도 1의 중단 단면도에 나타내는 바와 같이, 제2 대전극층(C2)과 제3 전극층(A3)의 사이도 도통층(E)에 의해 접속되어 있다. 제3 대전극층(C3)과 제4 전극층(A4)의 사이도 도통층(E)에 의해 접속되어 있다. 제4 대전극층(C4)과 제5 전극층(A5)의 사이도 도통층(E)에 의해 접속되어 있다. 즉, 제2 전기 화학 반응부(R2)로부터 제5 전기 화학 반응부(R5)까지의 각 전기 화학 반응부(R)도, 동일하게 전기적으로 직렬로 접속되어 있다.
전기적으로 직렬로 접속된 전기 화학 반응부(R)의 양단에는, 전기 화학 소자(Q)의 외부와 전기적으로 접속하기 위한 구성이 배치된다. 본 실시형태에서는, 제5 전기 화학 반응부(R5)의 제5 대전극층(C5)에, 집전 부재(26)가 접속된다. 그리고 제1 전기 화학 반응부(R1)의 제1 전극층(A1)에, 도통층(E)이 접속되고, 그 도통층(E) 위에 집전 부재(26)가 접속된다.
집전 부재(26)에는, 도전성과 기체 투과성을 가지는 부재가 사용된다. 예를 들면, 내산화 코팅을 실시한 금속박을 사용한 익스팬드 메탈이나 금속 메쉬, 펠트상 부재가 사용된다.
이상과 같이 구성한 전기 화학 소자(Q)를 연료 전지로서 동작시키면, 양단의 집전 부재(26)의 사이에 기전력이 생긴다. 그리고 집전 부재(26)를 외부의 부하 등에 접속하면, 도 1의 중단 단면도에 나타낸 바와 같이, 제1 전기 화학 반응부(R1) 측의 집전 부재(26)로부터 제5 전기 화학 반응부(R5)의 집전 부재(26)를 향하여, 화살표 I로 나타내는 바와 같이 전류가 흐른다. 즉, 직렬로 접속된 5개의 연료 전지(전기 화학 반응부(R))가, 외부에 전력을 공급한다.
그리고 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를, 전술한 전해 셀로서 동작시키는 경우, 한 쌍의 집전 부재(26)의 사이에 전압을 인가한다. 이렇게 되면, 각 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과 대전극층(C)이 전술한 바와 같이 접속되어 있으므로, 각 전기 화학 반응부(R)에 전압이 인가되어, 전해 반응이 진행하게 된다. 즉 이 경우도, 5개의 전해 셀이 직렬로 접속되어 동작하는 것으로 볼 수 있어, 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<전기 화학 소자에서의 기체의 제3 전해질(封止)>
전기 화학 소자(Q)에서는, 금속 기판(1)의 기체 통류 허용 영역(P)을 통류한 기체가 전극층(A)에 공급되지만, 그 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것을 억제할 필요가 있다. 이를 위해 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 기체를 제3 전해질하기 위한 이하의 구조를 가진다.
본 실시형태에서는, 제1 전극층(A1)이 제1 기체 통류 허용 영역(P1)을 덮어서 형성되어 있다. 그 외의 제2 전극층(A2)∼제5 전극층(A5)에 대해서도 마찬가지로, 각각, 제2 기체 통류 허용 영역(P2)∼제5 기체 통류 허용 영역(P5)을 덮어서 형성되어 있다. 즉 전극층(A)은, 기체 통류 허용 영역(P)보다 큰 영역에, 기체 통류 허용 영역(P)을 덮어서 설치되어 있다. 이 경우에, 전극층(A)을 가스타이트한 층으로 덮으면, 기체의 누출을 억제할 수 있게 된다.
이하 제3 전기 화학 반응부(R3)에 주목하여 설명한다. 제3 전극층(A3)은, 제3 전해질층(B3)과, 절연층(D)과, 도통층(E)에 의해 덮여져 있다. 제3 전해질층(B3)은, 적어도 제3 기체 통류 허용 영역(P3)에 설치된 제3 전극층(A3)을 덮어서 배치되어 있다.
상세하게는, 폭 방향에 있어서 제3 전해질층(B3)이 제3 전극층(A3)보다 넓은 폭에 걸쳐 형성되어 있다. 제3 전극층(A3)은, 제3 전극층(A3)이 존재하는 영역에서는 제3 전극층(A3)의 위, 즉 제2층에 배치된다. 제3 전극층(A3)이 존재하지 않는 영역(제3 전극층(A3)의 폭 방향의 양측의 영역)에서는, 제3 전해질층(B3)은 금속 기판(1)의 위, 즉 제1층에 배치된다. 제1층의 제3 전해질층(B3)과 제2층의 제3 전해질층(B3)은, 연속된 층으로서 형성되어 있고, 양자의 접속 부위로부터의 기체 누설은 억제되어 있다.
제3 전극층(A3)의 길이 방향의 양단은, 절연층(D) 및 도통층(E)에 의해 덮여져 있다. 제2층의 절연층(D)과 도통층(E)은, 폭 방향으로 가늘고 길게 연장되고, 제3 전극층(A3)이 존재하지 않는 영역(제3 전극층(A3)의 폭 방향의 양측의 영역)에서는, 제1층의 절연층(D)과 도통층(E)에 각각 접속된다. 제1층의 절연층(D)과 제2층의 절연층(D), 및 제1층의 도통층(E)과 제2층의 도통층(E)은, 연속된 층으로서 형성되어 있고, 양자의 접속 부위로부터의 기체 누설은 억제되어 있다.
이상 설명한 바와 같이, 제3 전극층(A3)은, 제3 전해질층(B3)과, 절연층(D)과, 도통층(E)에 의해 덮여져 있다. 전해질층(B), 절연층(D) 및 도통층(E)은 모두 기체 투과성이 작은 가스타이트한 층이기 때문에, 이상의 구성에 의해, 제3 전극층(A3)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
이상, 제3 전기 화학 반응부(R3)에 주목하여 설명하였으나, 제2 전기 화학 반응부(R2), 제4 전기 화학 반응부(R4) 및 제5 전기 화학 반응부(R5)에 대해서도 동일하다. 또한 제1 전기 화학 반응부(R1)에 대해서는, 길이 방향의 한쪽은 도통층(E)만에 의해 덮여져 있지만, 마찬가지로 기체의 누출은 억제되고 있다.
전술한 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)의 구조는, 다음과 같이 하여 형성할 수 있다. 먼저 제1층의 전극층(A), 절연층(D) 및 도통층(E)을, 도 1 하단의 상면도에 나타낸 평면 형상으로 금속 기판(1) 위에 형성한다. 다음으로, 제2층의 전해질층(B), 절연층(D) 및 도통층(E)을, 도 1 하단의 상면도에 나타낸 평면 형상으로, 즉 제1층보다 폭 방향으로 넓은 폭으로, 금속 기판(1) 및 제1층 위에 형성한다. 이로써, 전극층(A)이 전해질층(B), 절연층(D) 및 도통층(E)에 의해 덮어진다. 그리고 제3층의 대전극층(C)을, 제2층 위에 형성한다.
<제2 실시형태>
제2 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 2에 나타낸다. 그리고 이하의 제2∼제10 실시형태, 및 다른 실시형태에서는, 제1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략하는 경우가 있다.
이 전기 화학 소자(Q)에서는, 관통공(2)이 금속 기판(1)의 길이 방향을 따라 연속하여 형성되어 있다. 즉, 기체 통류 허용 영역(P)이 하나로 이어진 영역으로서 형성되어 있다. 그리고, 본 실시형태에 있어서도, 기체 통류 허용 영역(P)에 설치된 전극층(A)은, 전해질층(B), 절연층(D) 및 도통층(E)에 의해 덮여져 있다. 따라서, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
<제3 실시형태>
제3 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 3에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
금속 기판(1)의 표면 중 적어도 전극층(A)과 접하는 부분에는, 절연 피막 대신, 확산 방지막(6)(금속 산화물 피막)이 형성되어 있다. 확산 방지막(6)은, 금속 기판(1)으로부터의 Cr의 비산을 억제하기 위해 설치된다. 확산 방지막(6)은, 절연 피막과 달리 도전성을 가지고, 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과 금속 기판(1)의 도통을 억제하지 않도록, 낮은 저항값이 되도록 구성된다.
그리고, 금속 기판(1)의 표면 중 전극층과 전해질층·대전극층 중 어디에도 덮혀져 있지 않은 영역을 덮는 금속 산화물 피막은, 금속 기판(1)으로부터 산화 Cr 등의 성분이 증발하는 것을 억제하는 기능을 가지고 있으면 되고, 절연 피막이라도 도전성을 가지는 확산 방지막이라도 된다.
확산 방지막(6)의 저항값으로서는, 0.1Ω·cm2 정도 이하이면 되고, 0.05Ω·cm2 정도 이하이면, 전기 화학 소자(Q)를 연료 전지로서 동작시켰을 경우라도 충분한 기전력과 전류량을 확보할 수 있어 바람직하다.
금속 기판(1)의 재료로서는, 내열성, 내(耐)산화성 및 내부식성이 우수한 금속 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스강, 오스테나이트계 스테인레스강, 니켈기 합금 등이 사용된다. 특히, 크롬을 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 예를 들면, Cr을 15중량%∼25중량% 정도 포함하는 Fe-Cr계 합금 재료의 경우, 그 위에 형성하는 전극층(A)이나 전해질층(B)의 재료와 열팽창율이 유사하게 되고, 신뢰성·내구성이 우수한 전기 화학 소자를 얻을 수 있으므로 바람직하다. 또한, Cr을 70중량% 이상 포함하는 Cr이 풍부한 Cr-Fe계 합금을 사용할 수도 있다. 또한, Ni-Cr-Al계나 Fe-Cr-Al계의 합금 등도 사용할 수 있다. 확산 방지막(6)은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있지만, 금속 기판(1)의 표면을 산화시켜 금속 산화물로 하는 방법이 바람직하게 이용된다. 그 경우, 산소 분압을 낮게 제어한 분위기 하에서나, 불활성 가스 혹은 수소 분위기 하에서 금속 기판(1)을 열처리함으로써, 적절한 두께 및 저항값을 가지는 확산 방지막(6)을 금속 기판(1)의 표면에 바람직하게 형성할 수 있다. 특히, 금속 기판(1)에, Cr을 15중량%∼25중량% 정도 포함하는 Fe-Cr계 합금 재료를 사용하면, 소성 처리에 의해, 그 표면에 용이하게 크롬 산화물을 주성분으로 하는 확산 방지막을 형성할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 확산 방지막(6)은, 금속 기판(1)의 표면에, 스퍼터링법이나 PLD법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이코팅법 등에 의해 형성할 수도 있고, 도금과 산화 처리에 의해 형성할 수도 있다. 또한, 확산 방지막(6)은 도전성이 높은 스피넬(spinel)상(相) 등을 포함해도 된다.
본 실시형태에서는 제1 실시형태와 마찬가지로, 금속 기판(1)에 5개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제5 기체 통류 허용 영역(P5))이, 서로 이격되어 형성되어 있다. 그리고, 5개의 전기 화학 반응부(R)(제1 전기 화학 반응부(R1)∼제5 전기 화학 반응부(R5))가, 서로 이격되어 형성되어 있다.
상세하게는, 먼저 5개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제5 전극층(A5))이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)보다 큰 영역에, 각 기체 통류 허용 영역(P)을 덮어서 형성되어 있다. 5개의 전극층(A)은, 서로 이격되어 형성되어 있다. 그리고, 5개의 전해질층(B)(제1 전해질층(B1)∼제5 전해질층(B5))이, 각각의 전극층(A)보다 큰 영역에, 각 전극층(A)을 덮어서 형성되어 있다. 5개의 전해질층(B)은, 서로 이격되어 형성되어 있다. 5개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제5 대전극층(C5))이, 각각의 전해질층(B) 위에 형성되어 있다.
각각의 기체 통류 허용 영역(P)이 전극층(A)으로 덮어지고, 각각의 전극층(A)이 전해질층(B)으로 덮어지는 것에 의해, 기체 통류 허용 영역(P)으로부터 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)은, 서로 이격된 복수의 기체 통류 허용 영역(P)을 가지고 있고, 전기 화학 반응부(R)의 전해질층(B)이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)에 설치된 상기 전극층(A)을 덮어서 배치된다.
본 실시형태에서는 전술한 바와 같이, 금속 기판(1)의 표면에 도전성을 가지는 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 따라서, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과 대전극층(C)이 전기적으로 접속되어, 전기 화학 반응부(R)가 직렬로 접속된다. 본 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 연료 전지로서 동작시키는 경우, 기체 통류 허용 영역(P)을 통류한 수소가 전극층(A)에 공급되고, 대전극층(C)에 산소가 공급되고, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 기전력이 생긴다. 제1 전극층(A1)∼제5 전극층(A5)은 금속 기판(1)에 의해 전기적으로 접속되어 있으므로, 동일한 전위가 된다. 그리고 제1 대전극층(C1)∼제5 대전극층(C5)에 장착된 집전 부재(도시하지 않음)와, 금속 기판(1)(혹은 통형 가스 유통부(10))이 외부에 접속되어, 외부로 기전력·전류가 추출된다. 즉, 병렬로 접속된 5개의 연료 전지(전기 화학 반응부(R))가, 외부에 전력을 공급한다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 전해 셀로서 동작시키는 경우, 기체 통류 허용 영역(P)을 통류한 물(수증기)이 전극층(A)에 공급되고, 제1 대전극층(C1)∼제5 대전극층(C5)에 장착된 집전 부재(도시하지 않음)와, 금속 기판(1)(혹은 통형 가스 유통부(10))의 사이에 전압을 인가한다. 이렇게 하면, 제1 전극층(A1)∼제5 전극층(A5)은 금속 기판(1)에 의해 전기적으로 접속되어 있으므로, 각 전기 화학 반응부(R)에 전압이 인가되어, 전해 반응이 진행하게 된다. 즉 이 경우도, 5개의 전해 셀이 병렬로 접속되어 동작하는 것으로 볼 수 있어, 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<제4 실시형태>
제4 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 4에 나타낸다. 이 전기 화학 소자(Q)에서는, 제2 실시형태와 마찬가지로, 관통공(2)이 금속 기판(1)의 길이 방향을 따라 연속하여 형성되어 있다. 즉, 기체 통류 허용 영역(P)이 하나로 이어진 영역으로서 형성되어 있다. 금속 기판(1)의 표면에는, 확산 방지막(6)이 형성되어 있다.
금속 기판(1)의 표면측(4)에, 5개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제5 전극층(A5))이 형성되어 있다. 5개의 전극층(A)은, 서로 이격되어 형성되어 있다. 그리고 그 위에, 전해질층(B)이, 기체 통류 허용 영역(P)보다 큰 영역에, 기체 통류 허용 영역(P)을 덮어서 형성되어 있다. 본 실시형태에서는 전해질층(B)은, 하나로 이어진 층으로서, 제1층과 제2층에 걸쳐, 그리고 금속 기판(1)의 표면측(4)의 거의 전체에 형성되어 있다. 5개의 전극층(A)은, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 그리고, 전해질층(B) 위의, 전극층(A)에 대응하는 영역에, 5개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제5 대전극층(C5))이 형성되어 있다.
5개의 전극층(A) 및 5개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있으므로, 대향하는 전극층(A)과 대전극층(C)과, 이들에 의해 협지된 전해질층(B)에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 즉 제1 전극층(A1)과 제1 대전극층(C1)과, 이들에 의해 협지된 부분인 제1 전해질층(B1)에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있다. 마찬가지로 제2 전극층(A2)∼제5 전극층(A5)과, 제2 대전극층(C2)∼제5 대전극층(C5)과, 이들에 의해 협지된 부분인 제2 전해질층(B2)∼제5 전해질층(B5)에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)∼제5 전기 화학 반응부(R5)가 형성되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
그리고 제3 실시형태와 마찬가지로, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<제5 실시형태>
전술한 실시형태에서는, 복수의 전기 화학 반응부(R)가, 직사각형의 금속 기판(1)의 길이 방향을 따라 1열로 설치되어 있었다. 이것을 개변(改變)하여, 복수의 전기 화학 반응부(R)를 복수의 열로 배열하여 형성하는 것도 가능하다.
제5 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 5에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)에 5개의 전기 화학 반응부(R)를, 2열로 나란히 배치하는 예가 나타나 있다. 상세한 내용은, 도 5의 바로 앞쪽 열에, 집전 부재(26)와 도통층(E), 제1 전기 화학 반응부(R1) 및 제2 전기 화학 반응부(R2)가 이 순서로 배치되고, 도 5의 안쪽 열에, 제5 전기 화학 반응부(R5), 제4 전기 화학 반응부(R4) 및 제3 전기 화학 반응부(R3)가 이 순서로 배치되어 있다.
금속 기판(1)의 표면에는, 절연 피막(3)(금속 산화물 피막)이 형성되어 있다. 도시를 생략하고 있지만, 금속 기판(1)에는, 표면측(4)과 이면측(5)을 관통하는 복수의 관통공(2)이 형성되고, 5개의 전기 화학 반응부(R)에 대응하는 위치에, 복수의 관통공(2)이 모인 영역인 기체 통류 허용 영역(P)이 5개 형성되어 있다. 그리고 제2 실시형태와 같이, 금속 기판(1)의 전체에 걸쳐 기체 통류 허용 영역(P)을 형성하는 것도 가능하다. 단 그와 같은 경우는, 기체 통류 허용 영역(P)을 도통층(E) 및 전해질층(B)이 형성된 영역의 내측에 수용되도록 형성하고, 금속 기판(1)의 이면측(5)으로부터의 기체가 대전극층(C)의 측(금속 기판(1)의 표면측(4))으로 누출되는 것을 억제할 필요가 있다.
그리고, 도 5에는 금속 기판(1)과 전기 화학 반응부(R)를 나타내고 있지만, 제1 실시형태와 마찬가지로, 금속 기판(1)에 U자 부재(11)와 커버부(12)를 장착하여 통형 가스 유통부(10)를 형성하는 것도 가능하다.
본 실시형태에서는 제1 실시형태나 제2 실시형태와 마찬가지로, 제1 전기 화학 반응부(R1)∼제5 전기 화학 반응부(R5)가 전기적으로 직렬로 접속되고, 한 쌍의 집전 부재(26)에 접속되어 있다. 즉, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 대전극층(C)이 전기적으로 접속되어 있다. 각 전기 화학 반응부(R)의 구조, 즉 전극층(A), 전해질층(B), 대전극층(C), 절연층(D) 및 도통층(E)의 배치 및 위치 관계는, 제1 실시형태와 동일하게 형성된다.
<제6 실시형태>
제6 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 6에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)에 4개의 전기 화학 반응부(R)를, 2열로 나란히 배치하는 예가 나타나 있다. 상세한 내용은, 도 6의 바로 앞쪽 열에, 제1 전기 화학 반응부(R1) 및 제2 전기 화학 반응부(R2)가 이 순서로 배치되고, 도 6의 안쪽 열에, 제4 전기 화학 반응부(R4) 및 제3 전기 화학 반응부(R3)가 이 순서로 배치되어 있다.
금속 기판(1)의 표면에는, 확산 방지막(6)(금속 산화물 피막)이 형성되어 있다. 도시를 생략하고 있지만, 금속 기판(1)에는, 표면측(4)과 이면측(5)을 관통하여 복수의 관통공(2)이 형성되고, 4개의 전기 화학 반응부(R)에 대응하는 위치에, 복수의 관통공(2)이 모인 영역인 기체 통류 허용 영역(P)이 4개 형성되어 있다. 그리고 제4 실시형태와 같이, 금속 기판(1)의 전체에 걸쳐 기체 통류 허용 영역(P)을 형성하는 것도 가능하다. 단 그러한 경우는, 기체 통류 허용 영역(P)을 도통층(E) 및 전해질층(B)의 형성된 영역의 내측에 수용되도록 형성하며, 금속 기판(1)의 이면측(5)으로부터의 기체가 대전극층(C)의 측(금속 기판(1)의 표면측(4))으로 누출되는 것을 억제할 필요가 있다.
본 실시형태에서는 제3 실시형태나 제4 실시형태와 동일하게, 제1 전기 화학 반응부(R1)∼제4 전기 화학 반응부(R4)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다. 즉, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되어 있다. 각 전기 화학 반응부(R)의 구조, 즉 전극층(A), 전해질층(B), 대전극층(C)의 배치 및 위치 관계는, 제4 실시형태와 동일하게 형성된다.
그리고, 도 6에는 금속 기판(1)과 전기 화학 반응부(R)를 나타내고 있지만, 제1 실시형태와 마찬가지로, 금속 기판(1)에 U자 부재(11)와 커버부(12)를 장착하여 통형 가스 유통부(10)를 형성하는 것도 가능하다.
<제7 실시형태>
도 7에, 전기 화학 모듈(M)의 구성을 나타낸다. 전기 화학 모듈(M)은, 전술한 전기 화학 소자(Q)가 복수 적층한 상태에서 배치되는 모듈이다. 제7 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)에는, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 전기 화학 소자(Q), 즉 제1 실시형태, 제2 실시형태 및 제5 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)가 사용된다.
전기 화학 모듈(M)은, 가스 매니폴드(17)와, 5개의 전기 화학 소자(Q)를 가진다. 전기 화학 소자(Q)의 통형 가스 유통부(10)의 기체 유입구(21)가, 가스 매니폴드(17)의 내부 공간과 연통되도록, 전기 화학 소자(Q)가 가스 매니폴드(17)에 접속된다. 본 실시형태에서는, 5개의 전기 화학 소자(Q)가, 전기 화학 반응부(R)를 한쪽(도 7의 우측)을 향하는 자세로 적층되고, 가스 매니폴드(17)에 장착되어 있다.
본 실시형태에서는 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 직렬로 접속되어 있는 전기 화학 소자(Q)를 사용한 바, 전기 화학 반응부(R)와 금속 기판(1), 즉 통형 가스 유통부(10)와의 사이는 절연되어 있다. 따라서, 통형 가스 유통부(10)의 가스 매니폴드(17)로의 장착 시에는 절연을 행할 필요가 없으므로, 용접 등의 간단하면서 강고한 방법에 의해 장착을 행할 수 있다.
전기 화학 모듈(M)의 전기 화학 소자(Q)는, 서로 전기적으로 접속된다. 본 실시형태에서는, 각 전기 화학 소자(Q)의 제1 전기 화학 반응부(R1)에 접속된 집전 부재(26)가, 서로 전기적으로 접속되고, 외부와 접속된다. 그리고, 각 전기 화학 소자(Q)의 제5 전기 화학 반응부(R5)에 접속된 집전 부재(26)가, 서로 전기적으로 접속되고, 외부와 접속된다. 이상과 같이 접속됨으로써, 직렬로 접속된 5개의 전기 화학 반응부(R)가 5조(組), 병렬로 접속된다.
전기 화학 모듈(M)을 연료 전지로서 동작시키는 경우에는, 가스 매니폴드(17)의 내부에 수소를 공급하고, 전기 화학 소자(Q)의 주위에 산소를 공급한다. 이렇게 하면 각 전기 화학 반응부(R)에서 연료 전지로서의 반응이 진행되어, 기전력·전류가 발생한다. 발생한 전력은, 집전 부재(26)로부터 전기 화학 모듈(M)의 외부로 추출된다.
<제8 실시형태>
도 8에, 전기 화학 모듈(M)의 다른 실시형태를 나타낸다. 제8 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)에는, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 전기 화학 소자(Q), 즉 제3 실시형태, 제4 실시형태 및 제6 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)가 사용된다.
제7 실시형태와 마찬가지로, 전기 화학 소자(Q)의 통형 가스 유통부(10)의 기체 유입구(21)가, 가스 매니폴드(17)의 내부 공간과 연통되도록, 전기 화학 소자(Q)가 가스 매니폴드(17)에 접속된다. 본 실시형태에서는, 5개의 전기 화학 소자(Q)가, 전기 화학 반응부(R)를 한쪽(도7의 우측)을 향하는 자세로 적층되고, 가스 매니폴드(17)에 장착되어 있다. 그리고, 전기 화학 소자(Q)의 사이에 집전 부재(26)가 배치되고, 전기 화학 반응부(R)와, 전기 화학 소자(Q)의 통형 가스 유통부(10)의 배면(背面)(14)을 전기적으로 접속하고 있다. 이로써, 병렬로 접속된 5개의 전기 화학 반응부(R)가 5조, 직렬로 접속된다.
전기 화학 모듈(M)을 연료 전지로서 동작시키는 경우에는, 가스 매니폴드(17)의 내부에 수소를 공급하고, 전기 화학 소자(Q)의 주위에 산소를 공급한다. 이렇게 하면 각 전기 화학 반응부(R)에서 연료 전지로서의 반응이 진행되어, 기전력·전류가 발생한다. 발생한 전력은, 적층된 전기 화학 소자(Q)의 양단으로부터 추출된다. 즉, 제1 전기 화학 반응부(R1)의 통형 가스 유통부(10)의 배면(14)과, 제5 전기 화학 반응부(R5)의 집전 부재(26)로부터, 발생한 전력이 전기 화학 모듈(M)의 외부로 인출된다.
그리고, 본 실시형태에서는 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 전기 화학 소자(Q)를 사용한 바, 전기 화학 반응부(R)와 금속 기판(1), 즉 통형 가스 유통부(10)와의 사이는 절연되지 않고, 도통 상태이다. 따라서 통형 가스 유통부(10)의 가스 매니폴드(17)로의 장착 시에는, 통형 가스 유통부(10)와 가스 매니폴드(17)의 사이를 절연할 필요가 있다. 예를 들면, 통형 가스 유통부(10)와 가스 매니폴드(17)는, 유리 실링재료에 의해 접합된다.
<제9 실시형태>
도 9에, 전기 화학 모듈(M)의 다른 실시형태를 나타낸다. 제9 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)에는, 도 6에 나타내는 제6 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q), 즉 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 전기 화학 소자(Q)를 바람직하게 사용할 수 있다. 이 전기 화학 소자(Q)를, 셀간 접속 부재(71)를 사이에 두고 적층함으로써, 전기 화학 모듈(M)을 구성한다.
셀간 접속 부재(71)는, 도전성을 가지고, 동시에 기체 투과성을 가지지 않는 판형의 부재이며, 표면과 이면(裏面)에, 서로 직교하는 홈(溝)(72)이 형성되어 있다. 셀간 접속 부재(71)는 스테인레스 등의 금속이나, 금속 산화물을 사용할 수 있다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 이 셀간 접속 부재(71)를 사이에 두고전기 화학 소자(Q)를 적층하면, 홈(72)을 통하여 기체를 전기 화학 소자(Q)에 공급할 수 있다. 상세한 내용은 한쪽의 홈(72)이 제1 기체 유로(72a)가 되고, 전기 화학 소자(Q)의 표면측, 즉 대전극층(C)에 기체를 공급한다. 다른 쪽의 홈(72)이 제2 기체 유로(72b)가 되고, 전기 화학 소자(Q)의 이면측, 즉 금속 기판(1)의 기체 통류 허용 영역(P)에 기체를 공급한다.
이 전기 화학 모듈(M)을 연료 전지로서 동작시키는 경우에는, 제1 기체 유로(72a)에 산소를 공급하고, 제2 기체 유로(72b)에 수소를 공급한다. 이렇게 하면 전기 화학 소자(Q)의 각 전기 화학 반응부(R)에서 연료 전지로서의 반응이 진행되어, 기전력·전류가 발생한다. 발생한 전력은, 적층된 전기 화학 소자(Q)의 양단의 셀간 접속 부재(71)로부터, 전기 화학 모듈(M)의 외부로 인출된다.
그리고, 본 제9실시형태에서는, 셀간 접속 부재(71)의 표면과 이면에, 서로 직교하는 홈(72)을 형성하였으나, 셀간 접속 부재(71)의 표면과 이면에, 서로 병행되는 홈(72)을 형성할 수도 있다.
<제10 실시형태>
이상 설명한 전기 화학 소자(Q) 및 전기 화학 모듈(M)을 사용하여, 전기 화학 장치(Y) 및 에너지 시스템(Z)을 구축할 수 있다.
<에너지 시스템, 전기 화학 장치>
도 10에는, 에너지 시스템(Z) 및 전기 화학 장치(Y)의 개요가 나타나 있다.
에너지 시스템(Z)은, 전기 화학 장치(Y)와, 전기 화학 장치(Y)로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부로서의 열교환기(53)를 가진다.
전기 화학 장치(Y)는, 전기 화학 모듈(M)과, 탈황기(31)와 개질기(34)를 가지고 전기 화학 모듈(M)에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부와, 전기 화학 모듈(M)로부터 전력을 추출하는 인버터(38)를 가진다.
상세하게는 전기 화학 장치(Y)는, 탈황기(31), 개질수 탱크(32), 기화기(33), 개질기(34), 블로워(35), 연소부(36), 인버터(38), 제어부(39), 수납 용기(40) 및 전기 화학 모듈(M)을 가진다.
탈황기(31)는, 도시 가스 등의 탄화 수소계의 원연료에 포함되는 유황 화합물 성분을 제거(탈황)한다. 원연료 중에 유황 화합물이 함유되는 경우, 탈황기(31)를 구비함으로써, 유황 화합물에 의한 개질기(34) 혹은 전기 화학 소자(Q)에 대한 악영향을 억제할 수 있다. 기화기(33)는, 개질수 탱크(32)로부터 공급되는 개질수로부터 수증기를 생성한다. 개질기(34)는, 기화기(33)에서 생성된 수증기를 사용하여 탈황기(31)에서 탈황된 원연료를 수증기 개질하여, 수소를 포함하는 개질 가스를 생성한다.
전기 화학 모듈(M)은, 개질기(34)로부터 공급된 개질 가스와, 블로워(35)로부터 공급된 공기를 사용하여, 전기 화학 반응시켜서 발전한다. 연소부(36)는, 전기 화학 모듈(M)으로부터 배출되는 반응 배기 가스와 공기를 혼합시켜, 반응 배기 가스 중의 가연 성분을 연소시킨다.
전기 화학 모듈(M)은, 복수의 전기 화학 소자(Q)와 가스 매니폴드(17)를 가진다. 복수의 전기 화학 소자(Q)는 서로 전기적으로 접속된 상태에서 병렬로 배치되고, 전기 화학 소자(Q)의 한쪽의 단부(하단부)가 가스 매니폴드(17)에 고정되어 있다. 전기 화학 소자(Q)는, 가스 매니폴드(17)를 통하여 공급되는 개질 가스와, 블로워(35)로부터 공급된 공기를 전기 화학 반응시켜서 발전한다.
인버터(38)는, 전기 화학 모듈(M)의 출력 전력을 조정하여, 상용계통(도시하지 않음)으로부터 수전(受電)하는 전력과 동일한 전압 및 동일한 주파수로 한다. 제어부(39)는 전기 화학 장치(Y) 및 에너지 시스템(Z)의 운전을 제어한다.
기화기(33), 개질기(34), 전기 화학 모듈(M) 및 연소부(36)는, 수납 용기(40) 내에 수납된다. 그리고 개질기(34)는, 연소부(36)에서의 반응 배기 가스의 연소에 의해 발생하는 연소열을 사용하여 원연료의 개질 처리를 행한다.
원연료는, 승압 펌프(41)의 작동에 의해 원연료 공급로(42)를 통하여 탈황기(31)에 공급된다. 개질수 탱크(32)의 개질수는, 개질수 펌프(43)의 작동에 의해 개질수 공급로(44)를 통하여 기화기(33)에 공급된다. 그리고, 원연료 공급로(42)는 탈황기(31)보다 하류측의 부위에서, 개질수 공급로(44)에 합류되어 있고, 수납 용기(40)의 밖에서 합류된 개질수과 원연료가 수납 용기(40) 내에 구비된 기화기(33)에 공급된다.
개질수는 기화기(33)에서 기화되어 수증기가 된다. 기화기(33)에서 생성된 수증기를 포함하는 원연료는, 수증기 함유 원연료 공급로(45)를 통하여 개질기(34)에 공급된다. 개질기(34)에서 원연료가 수증기 개질되어, 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스(환원성 성분을 가지는 제1 기체)가 생성된다. 개질기(34)에서 생성된 개질 가스는, 개질 가스 공급로(46)를 통하여 전기 화학 모듈(M)의 가스 매니폴드(17)에 공급된다.
가스 매니폴드(17)에 공급된 개질 가스는, 복수의 전기 화학 소자(Q)에 대하여 분배되고, 전기 화학 소자(Q)와 가스 매니폴드(17)의 접속부인 하단으로부터 전기 화학 소자(Q)에 공급된다. 개질 가스 중의 주로 수소(환원성 성분)가, 전기 화학 소자(Q)에서 전기 화학 반응에 사용된다. 반응에 사용되지 않았던 잔여의 수소 가스를 포함하는 반응 배기 가스가, 전기 화학 소자(Q)의 상단으로부터 연소부(36)에 배출된다.
반응 배기 가스는 연소부(36)에서 연소되어, 연소 배기 가스가 되어 연소 배기 가스 배출구(50)로부터 수납 용기(40)의 외부로 배출된다. 연소 배기 가스 배출구(50)에는 연소 촉매부(51)(예를 들면, 백금계 촉매)가 배치되고, 연소 배기 가스에 함유되는 일산화탄소나 수소 등의 환원성 성분을 연소 제거한다. 연소 배기 가스 배출구(50)로부터 배출된 연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 배출로(52)에 의해 열교환기(53)로 보내진다.
열교환기(53)는, 연소부(36)에서의 연소로 생긴 연소 배기 가스와, 공급되는 냉수를 열교환시켜, 온수를 생성한다. 즉 열교환기(53)는, 전기 화학 장치(Y)로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부로서 동작한다.
그리고, 배열 이용부 대신, 전기 화학 모듈(M)로부터 (연소되지 않고) 배출되는 반응 배기 가스를 사용하는 반응 배기 가스 이용부를 설치해도 된다. 반응 배기 가스에는, 전기 화학 소자(Q)에서 반응에 사용되지 않았던 잔여의 수소 가스가 포함된다. 반응 배기 가스 이용부에서는, 잔여의 수소 가스를 이용하여, 연소에 의한 열이용이나, 연료 전지 등에 의한 발전이 행해져, 에너지의 유효 이용이 이루어진다.
<제11 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 11에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제4 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 4개의 전기 화학 반응부(R)(제1 전기 화학 반응부(R1)∼제4 전기 화학 반응부(R4))를 가지고 구성된다. 본 실시형태의 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다.
본 실시형태의 금속 기판(1)의 구성은, 제3 실시형태와 동일하다. 즉, 금속 기판(1)의 재료는, 제3 실시형태에 따른 금속 기판(1)과 동일하다. 금속 기판(1)의 표면에는, 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 금속 기판(1)에, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))이, 서로 이격되어 형성되어 있다.
금속 기판(1)의 표면측(4)에, 4개의 전기 화학 반응부(R)(제1 전기 화학 반응부(R1)∼제4 전기 화학 반응부(R4))가 형성되어 있다.
상세하게는, 먼저 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)보다 큰 영역에, 각 기체 통류 허용 영역(P)을 덮어서 형성되어 있다. 4개의 전극층(A)은, 서로 이격되어 형성되어 있다.
4개의 중간층(F)(제1 중간층(F1)∼제4 중간층(F4))이, 각각의 전극층(A)보다 큰 영역에, 각 전극층(A)을 덮어서 형성되어 있다. 4개의 중간층(F)은, 서로 이격되어 형성되어 있다.
4개의 전해질층(B)(제1 전해질층(B1)∼제4전해질층(B4))이, 각각의 전극층(A) 및 중간층(F)보다 큰 영역에, 각 전극층(A) 및 중간층(F)을 덮어서 형성되어 있다. 4개의 전해질층(B)은, 서로 이격되어 형성되어 있다.
4개의 반응 방지층(G)(제1 반응 방지층(G1)∼제4 반응 방지층(G4))이, 각각의 전해질층(B) 위에 형성되어 있다.
4개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제4 대전극층(C4))이, 각각의 반응 방지층(G) 위에 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 전극층(A)과 전해질층(B)의 사이에 중간층(F)이 막의 상태로 형성되어 있다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 5㎛∼20㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
중간층(F)의 재료로서는, 예를 들면, 산화 세륨계 재료나 지르코니아계 재료 등을 사용할 수 있다. 중간층(F)을 전극층(A)과 전해질층(B)의 사이에 도입함으로써, 전기 화학 반응부(R)의 성능이나 신뢰성, 내구성을 향상시킬 수 있다. 그리고 중간층(F)은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 양호한 중간층(F)이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
본 실시형태에서는, 전해질층(B)과 대전극층(C)의 사이에, 반응 방지층(G)이 막의 상태로 형성되어 있다. 그 막 두께는, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 5㎛∼20㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 막 두께로 함으로써, 고가의 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다.
반응 방지층(G)의 재료로서는, 예를 들면, 산화 세륨계 재료나 지르코니아계 재료 등을 사용할 수 있다. 반응 방지층(G)을 전해질층(B)과 대전극층(C)의 사이에 도입함으로써, 대전극층(C)의 구성 재료와 전해질층(B)의 구성 재료의 반응이 효과적으로 억제되어, 전기 화학 반응부(R)의 성능의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 그리고 반응 방지층(G)은, 저온 소성법(예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않고, 예를 들면, 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스퍼터링법, 펄스레이저 디포지션법 등의 PVD법, CVD법, 스프레이코팅법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면 1400℃ 등의 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 예를 들면 1100℃ 정도 이하의 저온 영역에서의 처리에 의해, 양호한 반응 방지층(G)이 얻어진다. 이 때문에, 금속 기판(1)에 고온 가열에 의한 데미지를 가하는 것을 억제할 수 있고, 또한, 금속 기판(1)과 전극층(A)의 사이의 고온 가열에 의한 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(Q)를 실현할 수 있으므로 바람직하다.
각각의 기체 통류 허용 영역(P)이 전극층(A)으로 덮어지고, 각각의 전극층(A)(및 중간층(F))이 전해질층(B)으로 덮히는 것에 의해, 기체 통류 허용 영역(P)으로부터 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)은, 서로 이격된 복수의 기체 통류 허용 영역(P)을 가지고 있고, 전기 화학 반응부(R)의 전해질층(B)이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)의 전체를 덮어서 배치된다.
본 실시형태에서는 전술한 바와 같이, 금속 기판(1)의 표면에 도전성을 가지는 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 따라서, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
<제12 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 12에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제11 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제11 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에는, 중간층(F)이 설치되어 있지 않다. 즉 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 중간층(F)을 제외한 구성은, 제11 실시형태와 유사하다.
각각의 기체 통류 허용 영역(P)이 전극층(A)으로 덮어지고, 각각의 전극층(A)이 전해질층(B)으로 덮어지는 것에 의해, 기체 통류 허용 영역(P)으로부터 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)은, 서로 이격된 복수의 기체 통류 허용 영역(P)을 가지고 있고, 전기 화학 반응부(R)의 전해질층(B)이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)의 전체를 덮어서 배치된다.
본 실시형태에서는 전술한 바와 같이, 금속 기판(1)의 표면에 도전성을 가지는 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 따라서, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
<제13 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 13에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제11 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제11 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에서는, 전해질층(B)이 복수의 전기 화학 반응부(R)에 걸쳐 설치되어 있다. 전해질층(B)을 제외한 구성은, 제11 실시형태와 유사하다.
상세하게는, 전해질층(B)은, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4)) 및 4개의 중간층(F)(제1 중간층(F1)∼제4 중간층(F4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))이, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 그리고 전해질층(B) 위의, 전극층(A)에 대응하는 영역에, 4개의 반응 방지층(G)(제1 반응 방지층(G1)∼제4 반응 방지층(G4)), 및 4개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제4 대전극층(C4))이 형성되어 있다.
4개의 전극층(A) 및 4개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있으므로, 대향하는 전극층(A)과 대전극층(C)과, 이들에 협지된 전해질층(B)에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 즉 제1 전극층(A1)과 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 전해질층(B), 및 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있다. 마찬가지로 제2 전극층(A2)∼제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)∼제4 대전극층(C4)과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2)∼제4 중간층(F4), 전해질층(B), 및 제2 반응 방지층(G2)∼제4 반응 방지층(G4))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)∼제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
그리고 제3 실시형태와 마찬가지로, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<제14 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 14에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제13 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제13 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에는, 중간층(F)이 설치되어 있지 않다. 즉 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 중간층(F)을 제외한 구성은, 제13 실시형태와 유사하다.
각각의 기체 통류 허용 영역(P)이 전극층(A)으로 덮어지고, 각각의 전극층(A)이 전해질층(B)으로 덮어지는 것에 의해, 기체 통류 허용 영역(P)으로부터 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)은, 서로 이격된 복수의 기체 통류 허용 영역(P)을 가지고 있고, 전기 화학 반응부(R)의 전해질층(B)이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)의 전체를 덮어서 배치된다.
본 실시형태에서는 전술한 바와 같이, 금속 기판(1)의 표면에 도전성을 가지는 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 따라서, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
<제15 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 15에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제11실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제11 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에서는, 전해질층(B) 및 반응 방지층(G)이, 복수의 전기 화학 반응부(R)에 걸쳐 설치되어 있다. 전해질층(B)과 반응 방지층(G)을 제외한 구성은, 제11 실시형태와 유사하다.
상세하게는, 전해질층(B)은, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4)) 및 4개의 중간층(F)(제1 중간층(F1)∼제4 중간층(F4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))이, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
반응 방지층(G)은, 전해질층(B) 위에, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4)) 및 4개의 중간층(F)(제1 중간층(F1)∼제4 중간층(F4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 그리고 반응 방지층(G) 위의, 전극층(A)에 대응하는 영역에, 4개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제4 대전극층(C4))이 형성되어 있다.
4개의 전극층(A) 및 4개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있으므로, 대향하는 전극층(A)과 대전극층(C)과, 이들에 협지된 전해질층(B)에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 즉 제1 전극층(A1)과 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 전해질층(B), 반응 방지층(G))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있다. 마찬가지로 제2 전극층(A2)∼제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)∼제4 대전극층(C4)과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2)∼제4 중간층(F4), 전해질층(B), 및 반응 방지층(G))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)∼제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
그리고 제3 실시형태와 마찬가지로, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<제16 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 16에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제15 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제15 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에는, 중간층(F)이 설치되어 있지 않다. 즉 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 중간층(F)을 제외한 구성은, 제15 실시형태와 유사하다.
각각의 기체 통류 허용 영역(P)이 전극층(A)으로 덮어지고, 각각의 전극층(A)이 전해질층(B)으로 덮어지는 것에 의해, 기체 통류 허용 영역(P)으로부터 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)은, 서로 이격된 복수의 기체 통류 허용 영역(P)을 가지고 있고, 전기 화학 반응부(R)의 전해질층(B)이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)의 전체를 덮어서 배치된다.
본 실시형태에서는 전술한 바와 같이, 금속 기판(1)의 표면에 도전성을 가지는 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 따라서, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
<제17 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 17에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제11 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제11 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에서는, 중간층(F), 전해질층(B) 및 반응 방지층(G)이, 복수의 전기 화학 반응부(R)에 걸쳐 설치되어 있다. 중간층(F), 전해질층(B) 및 반응 방지층(G)을 제외한 구성은, 제11 실시형태와 유사하다.
상세하게는, 중간층(F)은, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 그리고 전해질층(B)은, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4)) 및 중간층(F)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))이, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
반응 방지층(G)은, 전해질층(B) 위에, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4)) 및 중간층(F)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 그리고 반응 방지층(G) 위의, 전극층(A)에 대응하는 영역에, 4개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제4 대전극층(C4))이 형성되어 있다.
4개의 전극층(A) 및 4개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있으므로, 대향하는 전극층(A)과 대전극층(C)과, 이들에 협지된 전해질층(B)에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 즉 제1 전극층(A1)과 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있다. 마찬가지로 제2 전극층(A2)∼제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)∼제4 대전극층(C4)과, 이들에 협지된 부분(중간층(F), 전해질층(B), 및 반응 방지층(G))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)∼제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
그리고 제3 실시형태와 마찬가지로, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<제18 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 18에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 제11 실시형태와 마찬가지로, 하나의 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)과, 다른 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속되고, 이로써 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
제11 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에서는, 중간층(F) 및 전해질층(B)이, 복수의 전기 화학 반응부(R)에 걸쳐 설치되어 있다. 중간층(F) 및 전해질층(B)을 제외한 구성은, 제11 실시형태와 유사하다.
상세하게는, 중간층(F)은, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 그리고 전해질층(B)은, 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4)) 및 중간층(F)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))이, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
그리고 전해질층(B) 위의, 전극층(A)에 대응하는 영역에, 4개의 반응 방지층(G)(제1 반응 방지층(G1)∼제4 반응 방지층(G4)), 및 4개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제4 대전극층(C4))이 형성되어 있다.
4개의 전극층(A) 및 4개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있으므로, 대향하는 전극층(A)과 대전극층(C)과, 이들에 협지된 전해질층(B)에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 즉 제1 전극층(A1)과 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(중간층(F), 전해질층(B), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있다. 마찬가지로 제2 전극층(A2)∼제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)∼제4 대전극층(C4)과, 이들에 협지된 부분(중간층(F), 전해질층(B), 및 제2 반응 방지층(G2)∼제4 반응 방지층(G4))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)∼제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
그리고 제3 실시형태와 마찬가지로, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다고 할 수 있다.
<제19 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 19에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)이, 전기 화학 반응부(R)를 구성하고 있다.
본 실시형태의 금속 기판(1)의 구성은, 제3 실시형태와 동일하다. 즉, 금속 기판(1)의 재료는, 제3 실시형태에 따른 금속 기판(1)과 동일하다. 금속 기판(1)의 표면에는, 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 금속 기판(1)에, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))이, 서로 이격되어 형성되어 있다.
4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)보다 큰 영역에, 각 기체 통류 허용 영역(P)을 덮어서 형성되어 있다. 4개의 전극층(A)은, 서로 이격되어 형성되어 있다.
4개의 중간층(F)(제1 중간층(F1)∼제4 중간층(F4))이, 각각의 전극층(A)보다 큰 영역에, 각 전극층(A)을 덮어서 형성되어 있다. 4개의 중간층(F)은, 서로 이격되어 형성되어 있다.
제1 전해질층(B1)이, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2)) 및 2개의 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2))이, 제1 전해질층(B1)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
제2 전해질층(B2)이, 제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 2개의 전극층(A)(제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4))이, 제2 전해질층(B2)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
제1 반응 방지층(G1)이, 제1 전해질층(B1) 위에, 2개의 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)) 및 2개의 중간층(F)(제1 중간층(F1) 및 제2 중간층(F2))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
제2 반응 방지층(G2)이, 제2 전해질층(B2) 위에, 2개의 전극층(A)(제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)) 및 2개의 중간층(F)(제3 중간층(F4) 및 제4 중간층(F4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
제1 대전극층(C1)이, 제1 반응 방지층(G1) 위에, 2개의 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)) 및 2개의 중간층(F)(제1 중간층(F1) 및 제2 중간층(F2))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
제2 대전극층(C2)이, 제2 반응 방지층(G2) 위에, 2개의 전극층(A)(제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)) 및 2개의 중간층(F)(제3 중간층(F4) 및 제4 중간층(F4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
본 실시형태에서는, 4개의 전극층(A)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))과, 전해질층(B)과, 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1)과, 제1 대전극층(C1)의 좌측 절반과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 전극층(A2)과, 제1 대전극층(C1)의 우측 절반과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 전극층(A3)과, 제2 대전극층(C2)의 좌측 절반과, 이들에 협지된 부분(제3 중간층(F3), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제3 전기 화학 반응부(R3)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)의 우측 절반과, 이들에 협지된 부분(제4 중간층(F4), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제4 전기 화학 반응부(R4)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
또한 본 실시형태에서는, 2개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 2개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))과, 전해질층(B)과, 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)과, 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1) 및 제2 중간층(F2), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제5 전기 화학 반응부(R5)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)과, 이들에 협지된 부분(제3 중간층(F3) 및 제4 중간층(F4), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제6 전기 화학 반응부(R6)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
본 실시형태의 제5 전기 화학 반응부(R5) 및 제6 전기 화학 반응부(R6)와 같이, 하나의 전기 화학 반응부(R)에 복수의 기체 통류 허용 영역(P)이 대응하는 경우가 있다. 이와 같은 경우라도, 전기 화학 반응부(R)의 전해질층(B)이, 각각의 기체 통류 허용 영역(P)의 전체를 덮어서 배치된다. 이로써, 금속 기판(1)의 이면측으로부터 기체 통류 허용 영역(P)을 통류하여 전극층(A)에 공급된 기체가, 금속 기판(1)의 표면측으로 누출되는 것을 억제할 수 있고, 전기 화학 소자로서의 성능·신뢰성을 높일 수 있다. 구체적으로는, 제5 전기 화학 반응부(R5)의 제1 전해질층(B1)이, 제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2)의 전체를 덮어서 배치된다. 제6 전기 화학 반응부(R6)의 제2 전해질층(B2)이, 제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)의 전체를 덮어서 배치된다.
<제20 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 20에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 제19 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에는, 중간층(F)이 설치되어 있지 않다. 즉 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 중간층(F)을 제외한 구성은, 제19 실시형태와 유사하다.
제1 전해질층(B1)이, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2)) 및 2개의 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2))이, 제1 전해질층(B1)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
제2 전해질층(B2)이, 제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 2개의 전극층(A)(제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4))이, 제2 전해질층(B2)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
본 실시형태에서는, 4개의 전극층(A)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))과, 전해질층(B)과, 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1)과, 제1 대전극층(C1)의 좌측 절반과, 이들에 협지된 부분(제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 전극층(A2)과, 제1 대전극층(C1)의 우측 절반과, 이들에 협지된 부분(제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 전극층(A3)과, 제2 대전극층(C2)의 좌측 절반과, 이들에 협지된 부분(제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제3 전기 화학 반응부(R3)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)의 우측 절반과, 이들에 협지된 부분(제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제4 전기 화학 반응부(R4)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
또한 본 실시형태에서는, 2개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 2개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))과, 전해질층(B)과, 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)과, 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제5 전기 화학 반응부(R5)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)과, 이들에 협지된 부분(제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제6 전기 화학 반응부(R6)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
<제21 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 21에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)이, 전기 화학 반응부(R)를 구성하고 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)의 구성은, 제19 실시형태와 유사하다. 제19 실시형태와 다른 점은, 중간층(F)이 복수의 전극층(A) 위에 걸쳐서 설치되어 있는 점이다. 제1 중간층(F1)이, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 제2 중간층(F2)이, 제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
제1 전해질층(B1)이, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2)) 및 2개의 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2))이, 제1 전해질층(B1)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
제2 전해질층(B2)이, 제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 2개의 전극층(A)(제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4))이, 제2 전해질층(B2)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
본 실시형태에서는, 4개의 전극층(A)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 4개의 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))과, 전해질층(B)과, 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1)과, 제1 대전극층(C1)의 좌측 절반과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 전극층(A2)과, 제1 대전극층(C1)의 우측 절반과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 전극층(A3)과, 제2 대전극층(C2)의 좌측 절반과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제3 전기 화학 반응부(R3)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)의 우측 절반과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제4 전기 화학 반응부(R4)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
또한 본 실시형태에서는, 2개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 2개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))과, 전해질층(B)과, 전극층(A)(제1 전극층(A1)∼제4 전극층(A4))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2)과, 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제5 전기 화학 반응부(R5)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 전극층(A3) 및 제4 전극층(A4)과, 제2 대전극층(C2)과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제6 전기 화학 반응부(R6)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
<제22 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 22에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)이, 전기 화학 반응부(R)를 구성하고 있다.
본 실시형태의 금속 기판(1)의 구성은, 제3 실시형태와 동일하다. 즉, 금속 기판(1)의 재료는, 제3 실시형태에 따른 금속 기판(1)과 동일하다. 금속 기판(1)의 표면에는, 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 금속 기판(1)에, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))이, 서로 이격되어 형성되어 있다.
전극층(A)은, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
중간층(F)은, 전극층(A)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
전해질층(B)은, 전극층(A) 및 중간층(F)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 전극층(A)이, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
반응 방지층(G)은, 전해질층(B) 위에, 전극층(A) 및 중간층(F)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다.
반응 방지층(G) 위의, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))에 대응하는 영역에, 4개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1)∼제4 대전극층(C4))이 형성되어 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)에서는, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 전해질층(B)이 배치되어 있으므로, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))을 통하여 전극층(A)에 공급된 물질과, 대전극층(C)에 공급된 물질의 사이에서, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 및 반응 방지층(G)에서의 제1 기체 통류 허용 영역(P1)과 제1 대전극층(C1)에 의해 협지된 부분과, 제1 대전극층(C1)에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 및 반응 방지층(G)에서의 제2 기체 통류 허용 영역(P2)과 제2 대전극층(C2)에 의해 협지된 부분과, 제2 대전극층(C2)에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 및 반응 방지층(G)에서의 제3 기체 통류 허용 영역(P3)과 제3 대전극층(C3)에 의해 협지된 부분과, 제3 대전극층(C3)에 의해, 제3 전기 화학 반응부(R3)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 및 반응 방지층(G)에서의 제4 기체 통류 허용 영역(P4)과 제4 대전극층(C4)에 의해 협지된 부분과, 제4 대전극층(C4)에 의해, 제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
본 실시형태에서는 전술한 바와 같이, 금속 기판(1)의 표면에 도전성을 가지는 확산 방지막(6)이 형성되어 있다. 따라서, 서로 이격되어 형성되어 있는 복수의 전극층(A)은, 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 즉 본 실시형태에서는, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
<제23 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 23에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 제22 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에는, 중간층(F)이 설치되어 있지 않다. 즉 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 중간층(F)을 제외한 구성은, 제22 실시형태와 유사하다.
전해질층(B)은, 전극층(A)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 전극층(A)이, 전해질층(B)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
본 실시형태에서는 제22 실시형태와 마찬가지로, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 4개의 전기 화학 반응부(R)(제1 전기 화학 반응부(R1)∼제4 전기 화학 반응부(R4))가 배치되어 있다. 그리고, 인접하는 전기 화학 반응부(R)의 전극층(A)이 금속 기판(1)을 통하여 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
<제24 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 24에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 전극층(A), 중간층(F), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)이, 전기 화학 반응부(R)를 구성하고 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)의 구성은, 제19 실시형태와 유사하다. 제19 실시형태와 다른 점은, 전극층(A) 및 중간층(F)이 복수의 기체 통류 허용 영역(P) 위에 걸쳐 설치되어 있는 점이다.
제1 전극층(A1)이, 제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 제1 중간층(F1)이, 제1 전극층(A1)의 전체를 덮은 상태에서 설치되어 있다.
제2 전극층(A2)이, 제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 제2 중간층(F2)이, 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서 설치되어 있다.
제1 전해질층(B1)이, 제1 전극층(A1)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2)) 및 제1 전극층(A1)이, 제1 전해질층(B1)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
제2 전해질층(B2)이, 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 제2 전극층(A2)이, 제2 전해질층(B2)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)에서는, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 전해질층(B)이 배치되어 있으므로, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))을 통하여 전극층(A)에 공급된 물질과, 대전극층(C)에 공급된 물질의 사이에서, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 기체 통류 허용 영역(P1)의 상측의 전극층(A)의 부분, 중간층(F)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 기체 통류 허용 영역(P2)의 상측의 전극층(A)의 부분, 중간층(F)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 기체 통류 허용 영역(P3)의 상측의 전극층(A)의 부분, 중간층(F)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제3 전기 화학 반응부(R3)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
제4 기체 통류 허용 영역(P4)의 상측의 전극층(A)의 부분, 중간층(F)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
또한 본 실시형태에서는, 2개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 2개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))과, 전해질층(B)(제1 전해질층(B1) 및 제2 전해질층(B2))과, 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1)과, 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 중간층(F1), 제1 전해질층(B1), 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제5 전기 화학 반응부(R5)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 전극층(A2)과, 제2 대전극층(C2)과, 이들에 협지된 부분(제2 중간층(F2), 제2 전해질층(B2), 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제6 전기 화학 반응부(R6)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
<제25 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)를 도 25에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)는, 금속 기판(1)과, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 제19 실시형태와 달리, 본 실시형태에 따른 전기 화학 반응부(R)에는, 중간층(F)이 설치되어 있지 않다. 즉 전기 화학 반응부(R)는, 전극층(A), 전해질층(B), 반응 방지층(G), 및 대전극층(C)을 가지고 구성된다. 중간층(F)을 제외한 구성은, 제24 실시형태와 유사하다.
제1 전해질층(B1)이, 제1 전극층(A1)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1) 및 제2 기체 통류 허용 영역(P2) 및 제1 전극층(A1)이, 제1 전해질층(B1)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
제2 전해질층(B2)이, 제2 전극층(A2)의 전체를 덮은 상태에서, 하나로 이어진 층으로서 형성되어 있다. 2개의 기체 통류 허용 영역(P)(제3 기체 통류 허용 영역(P3) 및 제4 기체 통류 허용 영역(P4)) 및 제2 전극층(A2)이, 제2 전해질층(B2)에 의해 덮여져 있다. 이로써, 전극층(A)에 공급된 기체가 대전극층(C) 측으로 누출되는 것이 억제되고 있다.
본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q)에서는, 전극층(A)과 대전극층(C)의 사이에 전해질층(B)이 배치되어 있으므로, 4개의 기체 통류 허용 영역(P)(제1 기체 통류 허용 영역(P1)∼제4 기체 통류 허용 영역(P4))을 통하여 전극층(A)에 공급된 물질과, 대전극층(C)에 공급된 물질의 사이에서, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 기체 통류 허용 영역(P1)의 상측의 전극층(A)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제1 전기 화학 반응부(R1)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 기체 통류 허용 영역(P2)의 상측의 전극층(A)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제2 전기 화학 반응부(R2)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
제3 기체 통류 허용 영역(P3)의 상측의 전극층(A)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제3 전기 화학 반응부(R3)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
제4 기체 통류 허용 영역(P4)의 상측의 전극층(A)의 부분, 전해질층(B)의 부분, 반응 방지층(G)의 부분 및 대전극층(C)의 부분에 의해, 제4 전기 화학 반응부(R4)가 형성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
또한 본 실시형태에서는, 2개의 대전극층(C)이 서로 이격되어 형성되어 있다. 이들 2개의 대전극층(C)(제1 대전극층(C1) 및 제2 대전극층(C2))과, 전해질층(B)(제1 전해질층(B1) 및 제2 전해질층(B2))과, 전극층(A)(제1 전극층(A1) 및 제2 전극층(A2))에 의해, 전기 화학 반응이 생길 수 있다. 따라서, 제1 전극층(A1)과, 제1 대전극층(C1)과, 이들에 협지된 부분(제1 전해질층(B1) 및 제1 반응 방지층(G1))에 의해, 제5 전기 화학 반응부(R5)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
제2 전극층(A2)과, 제2 대전극층(C2)과, 이들에 협지된 부분(제2 전해질층(B2) 및 제2 반응 방지층(G2))에 의해, 제6 전기 화학 반응부(R6)가 구성되어 있는 것으로 해석된다.
즉 본 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에, 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치되어 있다.
<제26 실시형태>
본 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)을 도 26에 나타낸다. 본 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 모듈(M)은, 전술한 전기 화학 소자(Q)가 복수 적층한 상태에서 배치되는 모듈이다. 제26 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)에는, 제11 실시형태∼제25 실시형태에 따른 전기 화학 소자(Q), 즉 복수의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 전기 화학 소자(Q)가 사용된다.
전기 화학 모듈(M)은, 복수의 전기 화학 소자(Q)(Q1, Q2 등)와, 복수의 집전판(集電板)(S)(S1, S2 등)을 가지고 구성된다. 본 실시형태에서는, 전기 화학 소자(Q)는 제11 실시형태와 동일한 구성을 가지는 것으로서 설명한다.
본 실시형태에서는, 전기 화학 소자(Q)의 대전극층(C) 위에, 집전층(H)이 설치되어 있다. 집전층(H)으로서는, 도전성이 우수한 세라믹 페이스트나, 금속 펠트 재료 등이 사용된다.
집전판(S)은, 파형(波形)으로 형성된 금속제의 판자이다. 집전판(S)의 재료로서는, 전술한 금속 기판(1)과 동일한 것을 사용할 수 있다. 또한 집전판(S)의 표면에, 금속 기판(1)과 동일한 확산 방지막을 형성하면, Cr 비산을 억제할 수 있어 바람직하다. 이상과 같이 구성되는 집전판(S)은, 프레스 성형 등에 의해 저비용으로 제조할 수 있다. 그리고 집전판(S)은, 표면측과 이면측의 사이에서 기체가 통류할 수 없도록, 기체를 투과하지 않는 재료에 의해 구성된다.
도 26에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 소자(Q)와 집전판(S)이 교호적(交互的)으로 적층하여 배치된다. 집전판(S)의 파형의 상측 정상점(頂点)이, 금속 기판(1)의 이면측(5)에, 전기적으로 통전된 상태에서 접합된다. 이 접합은, 예를 들면, 도전성이 우수한 세라믹스 페이스트 등을 도포하고 집전판(S)를 금속 기판(1)을 향하여 가압하여 행한다. 또한 예를 들면, 용접이나 브레이징(brazing)에 의해 행한다.
집전판(S)의 파형의 하측 정상점이, 전기 화학 소자(Q)의 집전층(H)에, 전기적으로 통전된 상태에서 접합된다. 이 접합은, 예를 들면, 전술한 집전층(H)의 세라믹 페이스트의 소결(燒結)이나, 금속 펠트로의 집전판(S)의 가압에 의해 행한다.
이상의 구성에 의해, 예를 들면 집전판(S)은, 전기 화학 소자(Q1)의 금속 기판(1)과, 전기 화학 소자(Q2)의 집전층(H)을 전기적으로 접속한다. 이렇게 되면, 전기 화학 소자(Q1)의 전극층(A)과, 전기 화학 소자(Q2)의 대전극층(C)이 전기적으로 접속되게 된다. 즉, 전기 화학 소자(Q1)의 전기 화학 반응부(R)와, 전기 화학 소자(Q2)의 전기 화학 반응부(R)가, 전기적으로 직렬로 접속되게 된다.
도 26에 나타낸 형태로 복수의 전기 화학 소자(Q)와 복수의 집전판(S)이 적층되면, 집전판(S)이, 하나의 전기 화학 소자(Q)의 금속 기판(1)과, 하측에 배치된 전기 화학 소자(Q)의 집전층(H)이 전기적으로 접속되게 된다. 이렇게 되면, 하나의 전기 화학 소자(Q)의 전극층(A)과, 그 하측의 전기 화학 소자(Q)의 대전극층(C)이 전기적으로 접속되게 된다. 즉 본 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)에서는, 집전판(S)에 의해, 복수의 전기 화학 소자(Q)의 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 직렬로 접속된다.
전술한 바와 같이 전기 화학 소자(Q)에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)에 복수의 전기 화학 반응부(R)가 배치된다. 그리고 이들 복수의 전기 화학 반응부(R)(제1 전기 화학 반응부(R1)∼제4 전기 화학 반응부(R4))는, 전기적으로 병렬로 접속된다. 이렇게 되면, 본 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)에서는, 각각의 전기 화학 소자(Q)로 전기 화학 반응부(R)가 전기적으로 병렬로 접속되고, 이들 전기 화학 반응부(R)가 집전판(S)에 의해, 전기적으로 직렬로 접속된다.
<다른 실시형태>
(1) 전술한 제1 실시형태 및 제2 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면에 절연 피막을 형성하였으나, 통형 가스 유통부(10)를 형성하는 U자 부재(11)이나 커버부(12) 등의 전기 화학 소자(Q)나 전기 화학 모듈(M)의 형성에 관련하여 금속 기판(1) 이외에 사용하는 부재에 금속 재료를 사용하는 경우, 필요에 따라, 이러한 금속 재료의 표면에 절연 피막이나 확산 방지막을 형성하여 사용할 수도 있다.
(2) 전술한 실시형태에서는, 금속 기판(1)과 전해질층(B)의 사이에 전극층(A)을 배치하고, 전해질층(B)으로부터 볼 때 금속 기판(1)과는 반대측에 대전극층(C)을 배치했다. 전극층(A)과 대전극층(C)을 반대로 배치하는 구성도 가능하다. 즉, 금속 기판(1)과 전해질층(B)의 사이에 대전극층(C)을 배치하고, 전해질층(B)으로부터 볼 때 금속 기판(1)과는 반대측에 전극층(A)을 배치하는 구성도 가능하다. 이 경우에, 전기 화학 소자(Q)로의 기체의 공급에 대해서도 변경할 필요가 있다. 예를 들면 전기 화학 소자(Q)를 연료 전지로서 동작시키는 경우, 금속 기판(1)의 기체 통류 허용 영역(P)을 통하여 대전극층(C)에 산소를 공급하고, 전기 화학 소자(Q)의 주위로부터 전극층(A)에 수소를 공급한다.
(3) 전술한 실시형태에서는, 금속 기판(1)에 5개(또는 4개)의 전기 화학 반응부(R)를 설치했다. 전기 화학 반응부(R)의 개수는 이것으로 한정되지 않고, 2개 이상이면 된다.
(4) 전술한 실시형태에서는, 금속 기판(1)에 1열 또는 2열의 전기 화학 반응부(R)를 설치했다. 전기 화학 반응부(R)의 열의 개수는 이것으로 한정되지 않고, 3열 이상이면 된다.
(5) 전술한 제7 실시형태에서는, 직렬로 접속된 복수의 전기 화학 반응부(R)가 병렬로 접속되는 형태를 나타냈으나, 직렬로 접속된 복수의 전기 화학 반응부(R)를 직렬로 접속하도록 구성할 수도 있다. 또한, 직렬로 접속된 복수의 전기 화학 반응부(R)가 직렬 접속과 병렬 접속이 병존하도록 구성할 수도 있다.
(6) 전술한 제8 실시형태에서는, 병렬로 접속된 복수의 전기 화학 반응부(R)가 직렬로 접속되는 형태를 나타냈으나, 병렬로 접속된 복수의 전기 화학 반응부(R)를 병렬로 접속하도록 구성할 수도 있다. 또한, 병렬로 접속된 복수의 전기 화학 반응부(R)가 직렬 접속과 병렬 접속이 병존하도록 구성할 수도 있다.
(7) 하나의 전기 화학 소자(Q)에, 전기 화학 반응부(R)의 직렬 접속과 병렬 접속이 병존할 수도 있다. 예를 들면, 금속 기판(1)에 4행 4열의 전기 화학 반응부(R)를 형성하고, 1개의 행 내의 4개의 전기 화학 반응부(R)를 직렬 접속하고, 행의 양단의 전기 화학 반응부(R)를 병렬로 접속하여, 전기 화학 소자(Q)를 구성할 수도 있다. 그리고, 전술한 (5)나 (6)의 형태에 이와 같은 직렬 접속과 병렬 접속이 병존하는 복수의 전기 화학 반응부(R)를 적용할 수도 있다.
(8) 전술한 실시형태에서는, 평판형의 전기 화학 소자 및 전기 화학 모듈에 대하여 나타냈으나, 본 발명의 전기 화학 소자 및 전기 화학 모듈은 원통형이나 원반형으로 적용할 수도 있다.
(9) 전술한 제1 및 제2 실시형태에서는, 금속 기판(1)에 U자 부재(11)와 커버부(12)가 접합되어, 통형 가스 유통부(10)가 형성되는 전기 화학 소자의 형태를 나타냈으나, 복수의 금속 기판(1)을 사용하여, 통형 가스 유통부(10)를 형성할 수도 있다. 도 27 및 도 28에, 2장의 금속 기판(1)에 2장의 측면 접합 부재(15)와 커버부(12)를 접합하여, 통형 가스 유통부(10)를 형성한 예를 나타내었다. 측면 접합 부재(15)는, 직사각형의 부재이다. 2장의 금속 기판(1)의 장변과 2장의 측면부재(15)의 각 장변이 접합되어, 형성된 통의 한쪽의 단부가 커버부(12)에 의해 막혀져 있다. 이로써, 내부에 내부 공간(22)을 가지고 전체로서 평판 혹은 평봉형의 통형 가스 유통부(10)가 구성되어 있다. 금속 기판(1)은, 통형 가스 유통부(10)의 중심축에 대하여 평행하게 배치되고, 전기 화학 소자의 양면에 전기 화학 반응부가 구비되어 있다.
이 전기 화학 소자(Q)를 사용하여, 전술한 제7 실시형태에 나타낸 것과 동일한 전기 화학 모듈(M)을 구성할 수 있다.
(10) 전술한 실시형태에서는, 금속 기판(1)의 표면측(4)과 이면측(5)을 관통하여 형성되는 관통공(2)은, 표면측(4)과 이면측(5)의 사이에 기체의 통류가 가능하도록 연통되어 있으면 되고, 그 배치는, 도 1∼도 4에 나타낸 바와 같이 장변과 단변에 평행한 격자의 교점 위치에 형성되어 있는 것으로 한정되지 않으며, 도 1∼도 4, 도 11∼도 26에 나타낸 바와 같이 금속 기판(1)의 판면(板面)에 대하여 직교하는 원형 구멍으로는 한정되지 않는다. 관통공(2)의 직경은 일정하지 않아도 되며, 테이퍼형이라도 된다. 또한 관통공(2)은 굴곡하고 있어도 된다.
(11) 전술한 실시형태에서는, 기체 통류 금지 영역은, 관통공을 형성하지 않는 영역을 형성함으로써 구성하는 예가 나타나 있지만, 일단 관통공을 형성한 후, 관통공 중 적어도 일부를 폐색함으로써 구성할 수도 있다. 관통공의 폐색 방법으로서는, 관통공 내에 기밀성 재료를 충전하는 방법이나, 도 29에 나타낸 바와 같이 금속 기판의 한면에 관통공을 형성하고 있지 않은 폐색 재료(16)를 접합 혹은 당접하는 방법 등에 의해서도 구성할 수 있다.
(12) 전술한 제1, 3, 11∼26 실시예에서는, 기체 통류 허용 영역(P)이 전극층(A)에 의해 덮히도록 배치되어 있지만, 도 30(단일 전기 화학 반응부만을 도시)에 나타낸 바와 같이, 전해질층(B)이, 적어도 기체 통류 허용 영역(P) 혹은 기체 통류 허용 영역(P)에 설치된 전극층(A)을 덮어서 배치되면 된다. 이로써, 금속 기판의 이면측으로부터 기체 통류 허용 영역을 통류하여 전극층에 공급된 기체가, 금속 기판의 표면측으로 누출되는 것을 억제할 수 있고, 전기 화학 소자로서의 성능·신뢰성을 높일 수 있다.
(13) 전술한 실시형태에서는, 전기 화학 모듈(M)에 있어서 전기 화학 소자(Q)가 복수 적층한 상태, 즉 복수 집합된 상태에서 배치되는 예를 설명했다. 전기 화학 모듈(M)로서는, 전기 화학 소자(Q)가 적층하지 않은 상태에서 집합된 형태도 가능하다.
(14) 전기 화학 소자를 다음과 같이 구성할 수도 있다. 전기 화학 소자는, 금속 기판과, 복수의 전기 화학 반응부를 가지고, 상기 금속 기판은, 상기 금속 기판의 표면측과 이면측의 사이에서의 기체의 통류를 허용하는 기체 통류 허용 영역을 가지고, 상기 전기 화학 반응부는, 전극층과, 전해질층과, 대전극층을 적어도 가지고, 상기 금속 기판의 표면측에 배치되어 있고, 상기 전해질층은, 상기 전극층과 상기 대전극층의 사이에 배치되어 있고, 상기 전극층에, 상기 기체 통류 허용 영역을 통류한 기체가 공급된다.
(15) 또한 전기 화학 소자가 다음 구성을 가질 수도 있다. 상기 금속 기판은, 서로 이격된 복수의 상기 기체 통류 허용 영역을 가지고 있고, 상기 전기 화학 반응부의 상기 전해질층이, 각각의 상기 기체 통류 허용 영역의 전체를 덮어서 배치된다.
(16) 또한 전기 화학 소자가 다음 구성을 가질 수도 있다. 상기 금속 산화물 피막이, 상기 금속 기판에 포함되는 금속 원소의 산화물이다.
그리고, 전술한 실시형태(다른 실시형태을 포함함. 이하 동일함)에서 개시된 구성은, 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이것으로 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위내에서 적절하게 개변하는 것이 가능하다.
1: 금속 기판
3: 절연 피막(금속 산화물 피막)
4: 표면측
5: 이면측
6: 확산 방지막(금속 산화물 피막)
A: 전극층
B: 전해질층
C: 대전극층
M: 전기 화학 모듈
N: 기체 통류 금지 영역
P: 기체 통류 허용 영역
Q: 전기 화학 소자
R: 전기 화학 반응부
Y: 전기 화학 장치
Z: 에너지 시스템

Claims (13)

  1. 금속 기판과, 복수의 전기 화학 반응부를 가지고,
    상기 금속 기판은, 상기 금속 기판의 표면측과 이면측의 사이에서의 기체의 통류(通流)를 허용하는 기체 통류 허용 영역을 가지고,
    상기 전기 화학 반응부는, 전극층, 전해질층 및 대전극층(counter electrode layer)을 적어도 가지고, 상기 금속 기판의 표면측에 배치되어 있고,
    적어도 상기 전극층과 상기 대전극층의 사이에 상기 전해질층이 배치되어 있고,
    상기 전극층에 상기 기체 통류 허용 영역을 통류한 기체가 공급되는, 전기 화학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 기판은, 서로 이격된 복수의 상기 기체 통류 허용 영역을 가지고 있고, 상기 전기 화학 반응부의 상기 전해질층이, 적어도 각각의 상기 기체 통류 허용 영역 혹은 상기 기체 통류 허용 영역에 설치된 상기 전극층을 덮어서 배치되는, 전기 화학 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 기판의 표면측에서의 적어도 상기 금속 기판과 상기 전극층이 접촉하는 영역에 금속 산화물 피막이 형성되어 있는, 전기 화학 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 기판의 표면측에서의, 적어도 전극층과 전해질층·대전극층 중 어디에도 덮혀져 있지 않은 영역에, 금속 산화물 피막이 형성되어 있는, 전기 화학 소자.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 금속 산화물 피막이, 적어도 상기 금속 기판에 포함되는 금속 원소를 함유하는 산화물인, 전기 화학 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 산화물 피막이 절연 피막인, 전기 화학 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속 기판에 Si, Al 및 2족 원소∼12족 원소 중 적어도 하나가 함유되어 있는, 전기 화학 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 전기 화학 반응부가 전기적으로 직렬로 접속되어 있는, 전기 화학 소자.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 전기 화학 반응부가 전기적으로 병렬로 접속되어 있는, 전기 화학 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 소자가 복수 집합된 상태로 배치되는, 전기 화학 모듈.
  11. 제10항에 기재된 전기 화학 모듈과 개질기(改質器)를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지는, 전기 화학 장치.
  12. 제10항에 기재된 전기 화학 모듈을 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 추출하는 인버터를 가지는, 전기 화학 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 기재된 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는, 에너지 시스템.
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