KR20200135475A - 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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KR20200135475A
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히사오 오니시
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오사까 가스 가부시키가이샤
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Abstract

발전 효율을 향상시킬 수 있는 전기 화학 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 전기 화학 소자는, 내부에 내부 유로를 가지는 도전성의 판형 지지체를 구비하고, 판형 지지체는, 상기 판형 지지체를 구성하는 금속 지지체(32) 중 적어도 일부에 있어서, 상기 판형 지지체의 내측인 내부 유로와 외측에 걸쳐 기체를 투과할 수 있는 기체 통류 허용부(P2)와, 기체 통류 허용부(P2)의 전부 또는 일부를 피복하는 상태로, 적어도 막형의 전극층(44)과 막형의 전해질층(46)과 막형의 대극 전극층(48)을 기재순으로 가지는 전기 화학 반응부(43)를 가지고, 판형 지지체는, 내부 유로 내에 복수의 유로를 형성하고 있다.

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.
특허문헌 1에는, 내부 공간을 가지는 장척(長尺)의 통형(筒形) 지지체와, 통형 지지체의 일면 측에 길이 방향을 따라 설치된 발전을 행하는 전기 화학 반응부를 구비하는 전기 화학 소자가 개시되어 있다. 통형 지지체의 길이 방향의 일단부(一端部)는, 수소를 포함하는 개질(改質) 가스를 유통(流通)하는 가스 매니폴드(manifold)에 접속되어 있고, 통형 지지체의 내부 공간에 개질 가스가 유통된다. 개질 가스는, 통형 지지체의 내부 공간을 길이 방향의 일단부로부터 타단부를 향해 흐른다. 또한, 통형 지지체에는, 내부 공간으로부터 전기 화학 반응부로 통하는 관통공이 형성되어 있다. 따라서, 전기 화학 반응부에는, 관통공을 통해 통형 지지체의 내부 공간으로부터 개질 가스가 유통된다. 전기 화학 반응부는, 통형 지지체에 면하는 측으로부터, 전극층, 전해질층 및 대극(對極) 전극층이 순차로 적층되어 있고, 전극층에 개질 가스가 유통된다. 한쪽, 대극 전극층에는 블로어로부터 공기가 유통된다. 이로써, 전기 화학 반응부는 개질 가스와 공기를 전기 화학 반응시켜 발전을 행한다.
이와 같은 특허문헌 1의 전기 화학 소자는, 전기 화학 반응부가 통형 지지체에 지지되어 있으므로, 전기 화학 소자 전체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
일본 공개특허 제2016-195029호 공보
그러나, 특허문헌 1의 전기 화학 소자를 개질 가스를 연료로 한 전기 화학 반응에 의한 발전 소자로서 기능시켰을 경우, 통형 지지체의 내부 공간을 길이 방향의 일단부로부터 타단부를 향해 개질 가스가 통과하지만, 길이 방향의 임의의 복수 지점(地点)에 있어서, 길이 방향에 직교하는 폭 방향의 각 위치에서의 개질 가스의 유속(流速; flow rate)이 일정하지 않다. 예를 들면, 내부 공간의 폭 방향의 중앙부에서는 양 단부(端部)보다 개질 가스의 유속이 빠르다. 그러므로, 개질 가스의 유속이 늦은 폭 방향의 양 단부에서는, 길이 방향의 일단부 측에서는 개질 가스가 전극층에 충분히 유통되어 있어도, 길이 방향의 일단부로부터 타단부를 향할수록 개질 가스의 농도가 감소하고, 길이 방향의 타단부 측에서는 전극층에 유통되는 개질 가스가 부족한 경우가 있다. 이 경우, 길이 방향의 타단부 측의 전극층에서는, 연료가 결핍하는 상태로 되고, 전극층이 산화 열화되어 전극 성능이나 기계적 강도가 저하될 우려가 있다.
한쪽, 폭 방향의 중앙부에서는, 길이 방향의 일단부로부터 타단부를 향할수록 개질 가스의 농도가 감소하지만, 폭 방향의 양 단부에 비해 개질 가스의 유속 구 단위 시간당에 유통되는 개질 가스가 많기 때문에, 전극층으로 이용되지 않은 미반응의 개질 가스가 길이 방향의 타단부에 있어서 배출된다.
따라서, 폭 방향의 양 단부에서의 전극층의 산화 열화(劣化)를 억제하기 위해, 전기 화학 반응을 억제하여 길이 방향의 타단부 측까지 개질 가스를 유통 가능하게 하는 것을 생각할 수 있다. 이 경우, 폭 방향의 양 단부만 아니라 중앙부에 있어서도 전기 화학 반응이 억제되므로, 전극층으로 이용되지 않고 길이 방향의 타단부로 배출되는 미반응의 개질 가스의 양이 증가한다. 그러므로, 전극층의 산화 열화를 억제할 수 있지만, 연료 이용률이 저하되어 전기 화학 소자의 전기 화학 반응의 반응 효율이 저하된다.
그래서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하거나, 또는 전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 특징적 구성은,
내부에 내부 유로(流路; flowpath)를 가지는 도전성(導電性)의 판형 지지체를 구비하고,
상기 판형 지지체는, 상기 판형 지지체 중 적어도 일부에 있어서, 상기 판형 지지체의 내측인 상기 내부 유로와 외측에 걸쳐 기체(氣體)를 투과할 수 있는 기체 통류(通流) 허용부와, 상기 기체 통류 허용부의 전부(全部) 또는 일부를 피복하는 상태로, 적어도 막형(膜形)의 전극층과 막형의 전해질층과 막형의 대극 전극층을 기재순으로 가지는 전기 화학 반응부를 가지고,
상기 판형 지지체는, 상기 내부 유로 내에 복수의 유로를 형성하고 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 판형 지지체는, 내부 유로 내에 복수의 유로를 형성하고 있다. 그러므로, 기체는, 내부 유로에 있어서 복수의 유로를 흐름으로써, 복수의 유로 각각을 따라 나누어져 흐른다. 이와 같이, 복수의 유로로 나누어져 흐르는 것에 의한 정류(整流) 작용에 의해, 기체는, 복수의 유로가 형성되어 있지 않은 내부 유로를 흐르는 경우와 비교하여, 기체의 흐름 방향과 교차하는 흐름 교차 방향의 임의의 복수 지점에서의 유속이 대략 일정해진다. 즉, 흐름 교차 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 기체의 유속이 대략 일정하다. 따라서, 흐름 교차 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 전기 화학 반응부에 유통되는 기체의 양을 대략 일정하게 할 수 있다. 이로써, 전기 화학 반응부에 있어서, 기체가 부족한 부분과, 과잉으로 기체가 유통되는 부분과의 차이를 작게 하고, 전기 화학 소자 전체에 있어서 전기 화학 반응을 행하게 하여, 전기 화학 소자의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 판형 지지체는, 제1 판형체와, 적어도 상기 내부 유로에 복수의 유로를 형성하고 있는 제2 판형체를 포함하는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 예를 들면, 제1 판형체에, 적어도 상기 내부 유로에 복수의 유로를 형성하고 있는 제2 판형체를 조합함으로써 용이하게 복수의 유로를 형성할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 판형 지지체는,
상기 내부 유로를 형성하는 내부 유로 형성체와,
상기 내부 유로에 수용되어 있고, 상기 복수의 유로를 형성하는 복수 유로 형성체를 가지는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 내부 유로 형성체에 의해 내부 유로가 형성되고, 이 내부 유로에 복수 유로 형성체가 수용되어 있다. 이 복수 유로 형성체에 의해 내부 유로에 복수의 유로가 형성되어 있다. 기체는, 복수의 유로를 따라 흐르는 것에 의한 정류 작용에 의해, 각각의 유로를 흐르는 기체의 유속가, 흐름 교차 방향의 임의의 복수 지점에 있어서 대략 일정해진다. 따라서, 흐름 교차 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 전기 화학 반응부에 유통되는 기체의 양을 대략 일정하게 하고, 전기 화학 소자의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 판형 지지체 중 적어도 일부가 파형(波狀)으로 되도록 구성되어 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 판형 지지체 중 적어도 일부를 파형으로 구성함으로써 용이하게 복수의 유로를 형성할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 복수 유로 형성체 중 적어도 일부가 파형으로 되도록 구성되어 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 복수 유로 형성체 중 적어도 일부를 파형으로 구성함으로써 용이하게 복수의 유로를 형성할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 판형 지지체는, 적어도 제1 판형체와 제2 판형체에 의해 형성되어 있고,
상기 제1 판형체가 상기 제2 판형체와 접촉하는 접촉부와, 상기 제1 판형체가 상기 제2 판형체와 접촉하지 않는 비접촉부에 의해 상기 내부 유로 내에 상기 복수의 유로가 형성되어 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 제1 판형체와 제2 판형체와의 접촉부 및 비접촉부에 의해, 내부 유로 내에 복수의 유로가 형성되어 있다. 즉, 비접촉부가 존재함으로써 복수의 유로 중 적어도 일부는 연통되어 있고, 유로를 초과하여 기체가 통류 가능하면서도, 기체는, 복수의 유로 각각을 따라 나누어져져 흐른다. 따라서, 복수의 유로 각각을 흐르는 기체의 정류 작용에 의해, 흐름 교차 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 기체의 유속을 대략 일정하게 할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 판형 지지체는, 길이 방향으로 연장된 판형으로 형성되어 있고,
상기 복수의 유로는, 상기 길이 방향을 따라 연장되어 있는 점에 있다.
길이 방향으로 연장되는 복수의 유로에 기체를 흐르게 함으로써, 전기 화학 반응부와의 반응을 위한 유로 길이를 확보하고, 전기 화학 소자의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 기체 통류 허용부는, 상기 판형 지지체 중 적어도 일부를 관통하는 복수의 관통공이 형성되어 있는 구멍 영역인 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 기체 통류 허용부는, 판형 지지체 중 적어도 일부를 관통하는 복수의 관통공이 형성되어 있는 구멍 영역이므로, 판형 지지체 중 적어도 일부에 기체 통류 허용부를 더욱 용이하게 선택적으로 설치할 수 있는 데 더하여, 판형 지지체의 강도를 더욱 높일 수 있다. 따라서, 강도 및 내구성(耐久性)이 우수한 전기 화학 소자를 더욱 용이하게 실현할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 판형 지지체는, 적어도 제1 판형체와 제2 판형체에 의해 형성되어 있고,
상기 제1 판형체는 판형 면을 따라, 일체, 또는 분할되어 일련으로 형성되어 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 일체, 또는 분할되어 형성된 일련의 제1 판형체에 의해 제2 판형체가 지지되므로, 제2 판형체의 기계적 강도가 높아진다. 그 결과, 제2 판형체를 포함하는 판형 지지체에 지지되는 전기 화학 소자의 벤딩 강도가 높아진다.
본 발명에 관한 전기 화학 소자의 다른 특징적 구성은,
상기 복수의 유로와 일괄하여 연통되고 상기 기체가 유통하는 매니폴드를 더 구비하는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 유로의 기체가 유통되는 입구에 매니폴드가 구비된 경우에는, 복수의 유로에는, 기체가 머문 매니폴드로부터 일괄하여 기체가 유통된다. 따라서, 복수의 유로에 있어서 기체가 유통되는 입구에서의 압력차를 작게 할 수 있고, 흐름 교차 방향의 임의의 지점에서의 복수의 유로 사이의 기체의 유속을 대략 일정하게 할 수 있다. 또한, 유로의 기체가 유통되는 출구에 매니폴드가 구비된 경우에는, 전기 화학 반응에 의한 배출 가스나 생성 가스를 효율적으로 수집할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 모듈의 특징적 구성은,
복수의 상기 전기 화학 소자를 가지고, 하나의 전기 화학 소자와 다른 전기 화학 소자가 전기적으로 접속되는 형태로, 또한 상기 판형 지지체끼리를 대향시키는 형태로, 복수의 상기 전기 화학 소자를 병렬로 배치하여 이루어지는 점에 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 상기한 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈과 상기 연료 변환기의 사이에서 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통시키는 점에 있다. 여기서, 「공급부」란, 전기 화학 소자를 「연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는」연료 전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 환원성 성분을 함유하는 가스를 공급하는 기능을 담당하지만, 전기 화학 소자를 「전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는」전해 셀로서 기능하게 하는 경우에는, 환원성 성분을 함유하는 가스를 배출하는 기능을 담당한다.
즉, 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 가지고 전기 화학 모듈과 연료 변환기의 사이에서 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통시키는 연료 공급부를 가지므로, 도시가스 등의 기존의 원연료(原燃料) 공급 인프라를 이용하고, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈을 구비한 전기 화학 장치를 실현할 수 있다. 또한, 전기 화학 모듈로부터 배출되는 미이용의 연료 가스를 리사이클하는 시스템을 구축하기 쉬워지기 때문에, 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 상기한 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하는 전력 변환기를 적어도 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈로부터 얻어지는 전기 출력을, 전력 변환기에 의해 승압하거나, 직류를 교류로 변환하거나 할 수 있으므로, 전기 화학 모듈로 얻어지는 전기 출력을 이용하기 쉬워지므로, 바람직하다.
본 발명에 관한 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 상기한 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈과, 연료 변환기와, 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하거나 또는 전기 화학 모듈에 전력을 유통시키는 전력 변환기를 가지는 점에 있다.
본 발명에 관한 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 상기한 전기 화학 소자 또는 상기한 전기 화학 모듈에 대하여 연료 변환기로부터의 환원성 성분 가스를 유통시키거나, 또는 상기 전기 화학 소자 또는 상기 전기 화학 모듈로부터 연료 변환기에 환원성 성분 가스를 유통시키는 연료 공급부를 가지는 점에 있다.
상기한 구성에 의하면, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는」연료 전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 환원성 성분을 함유하는 가스를 공급할 수 있고, 전기 화학 소자를 「전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는」전해 셀로서 기능하게 하는 경우에는, 환원성 성분을 함유하는 가스를 연료 변환기에 인도할 수 있다.
즉, 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 가지고 전기 화학 모듈과 연료 변환기와의 사이에서 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통시키는 연료 공급부를 가지므로, 전기 화학 모듈을 연료 전지로서 동작시키는 경우, 도시가스 등의 기존의 원연료 공급 인프라를 사용하여 공급되는 천연 가스 등보다 개질기(改質器) 등의 연료 변환기에 의해 수소를 생성하는 구성으로 하면, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈을 구비한 전기 화학 장치를 실현할 수 있다. 또한, 전기 화학 모듈로부터 배출되는 미이용의 연료 가스를 리사이클하는 시스템을 구축하기 쉬워지기 때문에, 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
전기 화학 소자 모듈을 전해 셀로서 동작시키는 경우에는, 전극층에 수증기나 이산화탄소를 함유하는 가스가 유통되고, 전극층과 대극 전극층과의 사이에 전압이 인가된다. 그러면, 전극층에 있어서 전자 e-와 물분자 H2O나 이산화탄소 분자 CO2가 반응하고 수소 분자(H2)나 일산화탄소 CO와 산소 이온 O2 -로 된다. 산소 이온 O2 -는 전해질층을 통해 대극 전극층으로 이동한다. 대극 전극층에 있어서 산소 이온 O2 -가 전자를 방출하여 산소 분자 O2로 된다. 이상의 반응에 의해, 물분자 H2O가 수소 H2와 산소 O2로, 이산화탄소 분자 CO2를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 일산화탄소 CO와 산소 O2로 전기 분해된다.
수증기와 이산화탄소 분자 CO2를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 상기 전기 분해에 의해 전기 화학 모듈에 의해 생성한 수소 및 일산화탄소 등으로부터 탄화수소 등의 각종 화합물을 합성하는 연료 변환기를 설치할 수 있다. 연료 공급부에 의해, 이 연료 변환기가 생성한 탄화수소 등을 전기 화학 모듈에 유통하거나, 본 시스템·장치 밖으로 인출하여 별도 연료나 화학원료로서 이용할 수 있다.
본 발명에 관한 에너지 시스템의 특징적 구성은,
상기 전기 화학 장치와, 전기 화학 장치 또는 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 열배출 이용부를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 장치와, 전기 화학 장치 또는 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 열배출 이용부를 가지므로, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수하고, 또한 에너지 효율에도 우수한 에너지 시스템을 실현할 수 있다. 그리고, 전기 화학 장치로부터 배출되는 미이용의 연료 가스의 연소열을 이용하여 발전하는 발전 시스템과 조합시켜 에너지 효율이 우수한 하이브리드 시스템을 실현할 수도 있다.
따라서, 부품수가 적고, 제작 용이한 전기 화학 소자 적층체를, 취급 용이한 구조의 전기 화학 소자에 의해 실현할 수 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체를 이용한 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치나 에너지 시스템을 염가로 제공할 수 있었다.
도 1은 실시형태에 관한 에너지 시스템의 전체 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2a는 실시형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명도이다.
도 2b는 실시형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명도이다.
도 3는 실시형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV 방향의 단면도(斷面圖)이다.
도 5는 도 3의 V-V 방향의 단면도이다.
도 6은 도 2a의 VI-VI 방향의 단면도이다.
도 7은 분할체의 사시도이다.
도 8은 각 분할 유로(A)에서의 유속을 나타낸 설명도이다.
도 9는 전기 화학 소자의 제조 공정의 설명도이다.
도 10은 다른 형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명도이다.
도 11은 다른 분할체의 사시도이다.
도 12는 다른 분할체의 사시도이다.
도 13는 다른 전기 화학 모듈의 설명도이다.
도 14는 다른 분할체의 사시도이다.
도 15는 다른 형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명도이다.
도 16은 다른 분할체의 설명도이다.
도 17은 다른 에너지 시스템의 전체 구성을 나타낸 개략도이다.
<실시형태>
이하, 실시형태에 관한 에너지 시스템, 전기 화학 장치, 전기 화학 모듈 및 전기 화학 소자에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
<에너지 시스템, 전기 화학 장치>
도 1에는, 에너지 시스템 및 전기 화학 장치의 개요가 나타나 있다.
에너지 시스템은, 전기 화학 장치와, 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 열배출 이용부로서의 열교환기(23)를 구비한다.
전기 화학 장치는, 전기 화학 모듈(M)와, 탈류기(脫硫器)(1)와 개질기(개질기 등의 연료 변환기, 이하, 개질기라고 기재함)(4)를 가지고 전기 화학 모듈(M)에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 유통시키는 연료 공급부와, 전기 화학 모듈(M)로부터 전력을 인출하는 인버터(전력 변환기의 일례)(8)를 구비한다.
상세하게는 전기 화학 장치는, 탈류기(1), 개질수(改質水) 탱크(2), 기화기 (3), 개질기(4), 블로어(5), 연소부(6), 인버터(8), 제어부(9), 수납 용기(10) 및 전기 화학 모듈(M)을 구비한다.
탈류기(1)는, 도시가스 등의 탄화수소계의 원연료에 포함되는 유황 화합물 성분을 제거[탈류(脫硫)]한다. 원연료 중에 유황 화합물이 함유되는 경우, 탈류기(1)를 구비함으로써, 유황 화합물에 의한 개질기(4) 또는 전기 화학 소자(E)에 대한 영향을 억제할 수 있다. 기화기(3)는, 개질수 탱크(2)로부터 유통되는 개질수로부터 수증기를 생성한다. 개질기(4)는, 기화기(3)에 의해 생성된 수증기를 사용하여 탈류기(1)에 의해 탈류로 된 원연료를 수증기 개질하여, 수소를 포함하는 개질 가스(기체)를 생성한다.
전기 화학 모듈(M)은, 개질기(4)로부터 유통된 개질 가스와, 블로어(5)로부터 유통된 공기(기체)를 사용하여, 전기 화학 반응시켜 발전한다. 연소부(6)는, 전기 화학 모듈(M)로부터 배출되는 반응 배기 가스와 공기를 혼합시켜, 반응 배기 가스 중의 가연(可燃) 성분을 연소시킨다.
전기 화학 모듈(M)은, 복수의 전기 화학 소자(E)와 가스 매니폴드(17)를 구비한다. 복수의 전기 화학 소자(E)는 서로 전기적으로 접속된 상태로 병렬하여 배치되고, 전기 화학 소자(E)의 한쪽의 단부(하단부)가 가스 매니폴드(17)에 고정되어 있다. 전기 화학 소자(E)는, 가스 매니폴드(17)를 통해 유통되는 개질 가스와, 블로어(5)로부터 유통된 공기를 전기 화학 반응시켜 발전한다.
인버터(8)는, 전기 화학 모듈(M)의 출력 전력을 조정하여, 상용(商用) 계통(도시하지 않음)으로부터 수전(受電)하는 전력과 같은 전압 및 같은 주파수로 한다. 제어부(9)는 전기 화학 장치 및 에너지 시스템의 운전을 제어한다.
기화기(3), 개질기(4), 전기 화학 모듈(M) 및 연소부(6)는, 수납 용기(10) 내에 수납된다. 그리고, 개질기(4)는, 연소부(6)에서의 반응 배기 가스의 연소에 의해 발생하는 연소열을 사용하여 원연료의 개질 처리를 행한다.
원연료는, 승압(昇壓) 펌프(11)의 작동에 의해 원연료 공급로(12)를 통해 탈류기(1)에 유통된다. 개질수 탱크(2)의 개질수는, 개질수 펌프(13)의 작동에 의해 개질수 공급로(14)를 통해 기화기(3)에 유통된다. 그리고, 원연료 공급로(12)는 탈류기(1)보다 하류측의 부위에서, 개질수 공급로(14)에 합류(merging)되어 있고, 수납 용기(10) 외에 의해 합류로 된 개질수와 원연료가 수납 용기(10) 내에 구비된 기화기(3)에 유통된다.
개질수는 기화기(3)에 의해 기화되고 수증기로 된다. 기화기(3)에 의해 생성된 수증기를 포함하는 원연료는, 수증기 함유 원연료 공급로(15)를 통해 개질기(4)에 유통된다. 개질기(4)에 의해 원연료가 수증기 개질되고, 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스가 생성된다. 개질기(4)에 의해 생성된 개질 가스는, 개질 가스 공급로(16)를 통해 전기 화학 모듈(M)의 가스 매니폴드(17)에 유통된다.
가스 매니폴드(17)에 유통된 개질 가스는, 복수의 전기 화학 소자(E)에 대하여 분배되고, 전기 화학 소자(E)와 가스 매니폴드(17)와의 접속부인 하단(下端)(일단부) ED로부터 전기 화학 소자(E)에 유통된다. 개질 가스 중의 주로 수소(환원성 성분)가, 전기 화학 소자(E)에 의해 전기 화학 반응에 사용된다. 반응에 이용되지 않았던 잔여의 수소 가스를 포함하는 반응 배기 가스가, 전기 화학 소자(E)의 상단(上端)(타단부) EU로부터 연소부(6)로 배출된다.
반응 배기 가스는 연소부(6)에서 연소되고, 연소 배기 가스로 되어 연소 배기 가스 배출구(20)로부터 수납 용기(10)의 외부로 배출된다. 연소 배기 가스 배출구(20)에는 연소 촉매부(21)(예를 들면, 백금계 촉매)가 배치되고, 연소 배기 가스에 함유되는 일산화탄소나 수소 등의 환원성 성분을 연소 제거한다. 연소 배기 가스 배출구(20)로부터 배출된 연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 배출로(22)에 의해 열교환기(23)에 보내진다.
열교환기(23)는, 연소부(6)에서의 연소로 생긴 연소 배기 가스와, 유통되는 냉수를 열교환시키고, 온수를 생성한다. 즉, 열교환기(23)는, 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 열배출 이용부로서 동작한다.
<전기 화학 모듈(M)>
다음에, 도 2를 사용하여 전기 화학 모듈(M)에 대하여 설명한다. 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자(E)를 복수 가지고, 하나의 전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응부(43)에서의 통형 지지체(31)는 반대측의 면과, 다른 전기 화학 소자(E)의 통형 지지체(31)가 전기적으로 접속되는 형태로, 또한, 복수의 통형 지지체(31)끼리가 서로 대향하는 형태로, 복수의 전기 화학 소자(E)를 병렬 배치하여 이루어진다.
또한 전기 화학 모듈(M)은, 복수의 전기 화학 소자(E)의 통형 지지체(31)의 내부에 환원성 성분을 함유하는 개질 가스를 유통시키는 가스 매니폴드(17)를 가지고, 전기 화학 소자(E)의 단부 중 통형 지지체(31)의 축 방향의 하단 ED가 가스 매니폴드(17)에 접속되어 있다.
그리고, 전기 화학 모듈(M)은, 블로어(5)를 통해, 통형 지지체(31)의 외부로부터 전기 화학 반응부(43)에 대하여 산화성(酸化性) 성분을 함유하는 공기를 유통시키는 기체 공급 공간 S을 구비한다.
그리고, 전기 화학 소자(E)가 다른 부재[본 실시형태에서는 가스 매니폴드(17)]에 장착될 때는, 통형 지지체(31)의 축 방향의 단부 중 하단 ED가 상기 다른 부재에 고정되어, 전기 화학 소자(E)가 다른 부재에 캔틸레버(cantilever) 지지된다.
상세하게는 도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자(E), 가스 매니폴드(17), 집전(集電) 부재(26), 종단(終端) 부재(27) 및 전류 인출부(28)를 구비한다.
전기 화학 소자(E)는, 중공(中空)의 통이며, 내부 공간을 가지는 통형 지지체(31)의 표면[후술하는 도 4의 금속 지지체(32)(제2 판형체)의 상면(32a)]에 전기 화학 반응부(43)를 구비하여 구성되어 있고, 전체적으로 장척의 평판(flat plate) 또는 평봉의 형상을 취한다. 또한, 전기 화학 소자(E)는, 그 내부 공간인, 후술하는 개질 가스 통류부(36)(내부 유로)에, 개질 가스 통류부(36)를 복수의 분할 유로(A)과 분할하는 분할체(제1 판형체, 복수 유로 형성체)(70)를 구비하고 있다. 복수의 분할 유로(A)는, 전기 화학 소자(E)의 하단 ED와 상단 EU와의 사이에 따라, 서로 대략 평행하게 연장되어 있다. 그리고, 전기 화학 소자(E)는, 하단 ED와 상단 EU와의 사이가 길이 방향으로 되도록 구성되어 있고, 이 길이 방향을 따라 분할 유로(A)가 연장되어 있다. 전기 화학 소자(E)의 폭 방향은, 분할 유로(A)가 연장되는 길이 방향과 대략 직교하는 방향이다.
그리고, 전기 화학 소자(E)의 길이 방향의 하단 ED가, 가스 매니폴드(17)에 대하여 유리 실링 부재(sealing member) 등의 접착 부재에 의해 기밀하게 고정되어 있다. 이로써, 전기 화학 소자(E)와 가스 매니폴드(17)와의 접속부에 있어서 개질 가스가 누출되지 않고, 또한 공기가 유입되지 않도록, 통형 지지체(31)의 내부 공간인 개질 가스 통류부(36)와 가스 매니폴드(17)의 내부 공간(도시하지 않음)을 연통할 수 있다. 그리고, 통형 지지체(31)와 가스 매니폴드(17)와의 사이는 전기적으로 절연되어 있다.
가스 매니폴드(17)은, 예를 들면, 1개의 내부 공간을 가지는 직육면체형으로 형성되어 있고, 개질기(4)로부터 유통되는 개질 가스의 버퍼로서 기능한다. 따라서, 가스 매니폴드(17) 내의 개질 가스는, 복수의 전기 화학 소자(E) 각각에 대하여, 같은 정도의 압력, 같은 정도의 유량(流量), 같은 정도의 유속 등으로 대략 균일하게 분배된다. 또한, 가스 매니폴드(17) 내의 개질 가스는, 전기 화학 소자(E)의 복수의 분할 유로(A)의 각각에 대하여, 같은 정도의 압력, 같은 정도의 유량, 같은 정도의 유속 등으로 대략 균일하게 분배된다.
전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응부(43)는, 전체적으로 막형으로 구성된다. 전기 화학 반응부(43)의 표리(表裏)의 면 중, 통형 지지체(31)는 반대측의 면에, 접착재(29)에 의해 집전 부재(26)가 접착되어 있다. 그리고, 다른 전기 화학 소자(E)의 배면(39)과 집전 부재(26)를 접촉시킨 상태 또는 용접 등에 의해 접합한 상태로, 복수의 전기 화학 소자(E)가 병렬 배치되어 있다.
집전 부재(26)에는, 도전성과, 기체 투과성과, 전기 화학 소자(E)의 병렬 배치의 방향으로 탄성을 가지는 부재가 사용된다. 예를 들면, 집전 부재(26)에는, 금속박을 사용한 확장 메탈이나 금속 메시(mesh), 펠트(felt) 모양 부재가 사용된다. 접착재(29)에는, 도전성과 기체 투과성을 가지는 재료가 사용된다. 예를 들면, 접착재(29)에는, 세라믹계 접착재가 사용된다. 이로써, 집전 부재(26) 및 접착재(29)는 기체 투과성·기체 통류성을 가지고, 블로어(5)로부터 유통되는 공기가 집전 부재(26) 및 접착재(29)를 투과 또는 통류하여 전기 화학 반응부(43)에 유통된다.
또한, 집전 부재(26)가 전기 화학 소자(E)의 병렬 배치의 방향으로 탄성을 가지므로, 가스 매니폴드(17)에 캔틸레버 지지된 통형 지지체(31)는 병렬 배치의 방향으로도 변위할 수 있어, 진동이나 온도 변화 등의 외란(外亂)에 대한 전기 화학 모듈(M)의 내구성(robust)이 높아진다.
병렬 배치된 복수의 전기 화학 소자(E)는, 한 쌍의 종단 부재(27)에 협지되어 있다. 종단 부재(27)는, 도전성을 가지고 탄성 변형 가능한 부재이며, 그 하단이 가스 매니폴드(17)에 고정되어 있다. 종단 부재(27)에는, 전기 화학 소자(E)의 병렬 배치의 방향을 따라 외측을 향해 연장되는 전류 인출부(28)가 접속되어 있다. 전류 인출부(28)는 인버터(8)에 접속되고, 전기 화학 소자(E)의 발전에 의해 생기는 전류를 인버터(8)에 보낸다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 병렬 배치된 전기 화학 소자(E)는, 전기 화학 반응부(43)의 측방에 전기 화학 반응부(43)에서의 반응에 사용되는 공기(반응 기체, 산화성 성분을 함유하는 공기)가 유통되는 기체 공급 공간 S을 구비한다. 그리고, 복수의 전기 화학 소자(E)가 가지는 기체 공급 공간 S는, 통형 지지체(31)의 측방으로 서로 연통되고, 하나로 이어주는 공간으로 되어 있다. 여기서 전기 화학 반응부(43)의 측방이란, 통형 지지체(31)의 축 방향과 전기 화학 반응부(43)의 병렬 배치의 방향의 양쪽과 직교하는 방향이다.
도 2a 및 도 2b를 사용하여 상세하게 설명하면, 전기 화학 소자(E1)는 기체 공급 공간(S1)을 가지고, 전기 화학 소자(E2)는 기체 공급 공간(S2)을 가지고, 전기 화학 소자(E3)는 기체 공급 공간(S3)을 구비한다. 그리고, 기체 공급 공간(S1)과 기체 공급 공간(S2)가, 전기 화학 소자(E2)의 통형 지지체(31)의 측방을 통해 연통되어 있다. 또한, 기체 공급 공간(S2)과 기체 공급 공간(S3)가, 전기 화학 소자(E3)의 통형 지지체(31)의 측방을 통해 연통되어 있다. 그리고, 도 2a 및 도 2b에서는 기체 공급 공간 S의 화살표는 전기 화학 반응부(43)의 도면 중 상측을 가리키고 있지만, 전기 화학 반응부(43)의 도면 중 하측의 측방에도 기체 공급 공간 S이 존재하고 있다.
즉, 병렬 배치되는 복수의 전기 화학 소자(E) 중 인접하는 2개의 전기 화학 소자(E1, E2)로서, 전기 화학 반응부(43)가 다른 쪽의 전기 화학 소자(E2)에 접속되는 제1 전기 화학 소자(E1)와, 통형 지지체(31)가 제1 전기 화학 소자(E1)에 접속되는 제2 전기 화학 소자(E2)에 관한 것이며, 제1 전기 화학 소자(E1)의 기체 공급 공간(S1)과 제2 전기 화학 소자(E2)의 기체 공급 공간(S2)가, 제2 전기 화학 소자(E2)의 통형 지지체(31)의 측방을 통해 연통되어 있다.
이와 같이, 기체 공급 공간 S은 서로 연통되어 있으므로, 블로어(5)로부터 수납 용기(10)의 내부에 유통된 공기는, 기체 공급 공간 S에 도달하고, 전기 화학 반응부(43)와 유통된다. 또한, 통형 지지체(31)의 내부 공간인 개질 가스 통류부(36)에는 가스 매니폴드(17)로부터 개질 가스가 유통된다. 개질 가스 반응부(통류부(36)는, 분할체(70)에 의해 복수의 분할 유로(A)로 분할되어 있으므로, 각 분할 유로(A)를 통해 개질 가스가 전기 화학 반응부(43)와 유통된다. 이로써, 전기 화학 반응부(43)에 의해 반응이 진행한다.
<전기 화학 소자(E)>
도 3*에 전기 화학 소자(E)의 개략적인 구성이 나타나 있다. 전기 화학 소자(E)는, 도전성을 가지고, 내부에 개질 가스 통류부(36)가 형성된 통형 지지체(31)와, 통형 지지체(31)한쪽 면에 설치되고, 전기 화학 반응에 의해 발전을 행하는 전기 화학 반응부(43)를 구비한다. 개질 가스 통류부(36)를 흐르는 개질 가스는, 통형 지지체(31)의 후술하는 관통공(38)을 통해 전기 화학 반응부(43)에 유통된다. 전기 화학 반응부(43)가 통형 지지체(31)에 지지됨으로써, 전기 화학 소자(E) 전체의 기계적 강도가 향상된다.
<통형 지지체(31)>
통형 지지체(31)(판형 지지체)은, 전체적으로 평판 또는 평 봉형(棒形)이며, 직사각형의 금속 지지체(32)와, 길이 방향에 직교하는 단면(斷面)이 U자형의 U자 부재(33)(제1 판형체, 내부 유로 형성체)와, 커버부(34)를 구비한다. 금속 지지체(32)의 장변(長邊)과 U자 부재(33)의 장변[U자의 2개의 정상점(頂点)에 대응하는 변]이 접합되고, 한쪽의 단부가 커버부(34)로 막혀져 있다. 이로써, 내부 공간을 가지고 전체적으로 평판 또는 평봉형의 통형 지지체(31)가 구성된다. 금속 지지체(32)는, 통형 지지체(31)의 중심축에 대하여 평행하게 배치된다.
통형 지지체(31)의 내부 공간은, 개질 가스 통류부(36)로서 기능한다. 커버부(34)에 반응 배기 가스 배출구(37)가 형성된다. 커버부(34)가 설치되는 단부에 대향하는 반대측의 단부는 개구되어 있고, 개질 가스 유입구(35)로서 기능한다.
내부 공간인 개질 가스 통류부(36)에는, 개질 가스 통류부(36)를 복수의 분할 유로(A)로 분할하는 분할체(70)가 배치되어 있다. 분할체(70)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 일련의 파판이며, 두께가 대략 일정하다. 그리고, 파판은, 일방향으로는 복수의 동일 형상의 산 및 골이 반복하여 형성되어 있고, 일방향에 직교하는 직교 방향으로는 각 산 및 각 곡이 연장되어 형성되어 있다. 도 7의 분할체(70)의 경우, 인접하는 산의 정상부(頂部)(71) 사이의 폭이 대략 일정하게 되도록 산 및 골이 형성되어 있다. 예를 들면, 폭 d1, d2는 대략 일정하다. 그리고, 파판의 형상으로는, 산 및 골의 형상이 삼각형상, 사각형상 및 사인 곡선 등이 포함된다. 예를 들면, 파판은 콜게이트(corrugate) 판이라도 된다.
이와 같은 분할체(70)는, 산 및 골이 연장되는 방향이 통형 지지체(31)의 중심축을 따른, 즉 길이 방향을 따르도록 개질 가스 통류부(36)에 배치된다. 분할체(70)의 산의 정상부(71)는, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 접하고, 골의 바닥부(73)는, U자 부재(33)의 개질 가스 통류부(36)에 면하는 바닥면(33a)과 접한다. 이로써, 개질 가스 통류부(36)에는, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 분할체(70)에 의해 에워싸인 공간에 의해, 통형 지지체(31)의 길이 방향으로 연장되는 복수의 분할 유로(A)가 형성된다. 또한, 개질 가스 통류부(36)에는, U자 부재(33)의 바닥면(33a)과 분할체(70)에 의해 에워싸인 공간에 의해, 통형 지지체(31)의 길이 방향으로 연장되는 복수의 분할 유로(B)가 형성된다. 분할 유로(A)와 분할 유로(B)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 교호적(交互的)으로 형성된다.
도 8을 사용하여, 복수의 분할 유로(A)에서의 개질 가스의 유속에 대하여 설명한다. 가스 매니폴드(17)로부터, 전기 화학 소자(E)의 하단 ED에 위치하는 개질 가스 유입구(35)를 통해 복수의 분할 유로(A)에 개질 가스가 유통된다. 복수의 분할 유로(A)에 유통된 개질 가스는, 통형 지지체(31)의 축 방향인 길이 방향(기체의 흐름 방향)을 따라, 하단 ED로부터 상단 EU를 향해 각 분할 유로(A) 내를 흐른다. 개질 가스는, 복수의 분할 유로(A)를 따라 흐르는 것에 의한 정류 작용에 의해, 분할되어 있지 않은 개질 가스 통류부(36)를 흐르는 경우와 비교하여, 길이 방향에 직교하는 폭 방향(흐름 교차 방향)의 임의의 복수 지점에서의 유속이 대략 일정해진다.
도 8에서는, 통형 지지체(31)의 길이 방향의 임의의 복수 지점에서의 유속 V1∼V4를 나타내고 있다. V4는, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 중앙부에서의 개질 가스의 유속의 크기를 나타내고 있다. V3, V2, V1은, 폭 방향의 중앙부로부터 단부를 향하는 유속의 크기를 순차로 나타내고 있다. 이 도 8에 나타낸 바와 같이, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 개질 가스의 유속이 대략 일정하다. 따라서, 폭 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 분할 유로(A)로부터 통형 지지체(31)의 관통공(38)을 통해 전기 화학 반응부(43)에 유통되는 개질 가스의 양을 대략 일정하게 할 수 있다. 이로써, 폭 방향의 중앙부 및 양 단부의 어느 지점에 있어서도, 전기 화학 소자(E) 전체에 있어서 전기 화학 반응을 행하게 하여, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이, 가스 매니폴드(17) 중 하나의 내부 공간에 수용되어 있는 개질 가스는, 전기 화학 소자(E)의 복수의 분할 유로(A)의 각각에 대하여, 같은 정도의 압력, 같은 정도의 유량, 같은 정도의 유속 등으로 대략 균일하게 분배된다. 이와 같이, 개질 가스가 도입되는 복수의 분할 유로(A)의 각 입구에 있어서, 개질 가스의 압력차, 유량 차 및 유속 차를 거의 생기게 하지 않는 것에 의해서도, 분할 유로(A)에서의 개질 가스의 유속을 대략 일정하게 할 수 있다.
금속 지지체(32), U자 부재(33) 및 커버부(34)의 재료로서는, 도전성, 내열성(耐熱性), 내산화성(耐酸化性) 및 내부식성(耐腐食性)이 우수한 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스강, 오스테나이트계 스테인레스강, 니켈 기합금 등이 사용된다. 즉, 통형 지지체(31)는 견뢰(堅牢)하게 구성된다. 특히, 페라이트계 스테인레스강이 바람직하게 사용된다. 그리고, 후술하는 기체 통류 금지부(P1)를 구성하기 위해, 금속 지지체(32), U자 부재(33) 및 커버부(34)는 기체를 투과하지 않는 재료로 형성할 필요가 있다.
통형 지지체(31)의 재료에 페라이트계 스테인레스강을 사용한 경우, 전기 화학 반응부(43)에 의해 재료에 사용되는 YSZ(이트륨 안정화 지르코니아)나 GDC(가드리움·도프(dope)·세리아(seria), CGO라고도 함) 등과 열팽창 계수(係數)가 가까와진다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우에도 전기 화학 소자(E)가 손상을 쉽게 받지 않는다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다.
그리고, 통형 지지체(31)의 재료로서는, 열전도율이(3) Wm- 1 K-1을 상회하는 재료를 사용하는 것이 바람직하고, (10) Wm- 1 K-1을 상회하는 재료이면 더욱 바람직하다. 예를 들면, 스테인레스강이면 열전도율이 15∼30 Wm- 1 K-1 정도이므로, 통형 지지체(31)의 재료로서 바람직하다.
또한, 통형 지지체(31)의 재료로서는, 취성(脆性; brittleness) 파괴를 일으키지 않는 고인성(高靭性; high toughness) 재료인 것이 더욱 바람직하다. 세라믹스 재료 등와 비교하여 금속 재료는 고인성이며, 통형 지지체(31)로서 바람직하다.
금속 지지체(32)에는, 금속 지지체(32)의 표면과 이면(裏面; back surface)d을 관통하여 복수의 관통공(38)이 형성된다. 이 관통공(38)을 통해 통형 지지체(31)의 내측과 외측과의 사이에서 기체의 통류가 가능하도록 되어 있다. 즉, 복수의 관통공(38)이 형성되어 있는 구멍 영역(P2)이, 기체 통류 허용부(P2)로서 기능한다. 다른 쪽, 금속 지지체(32)나 U자 부재(33)에서의 관통공(38)이 형성되지 않은 영역은, 통형 지지체(31)의 내측과 외측과의 사이에서 기체가 통류할 수 없다. 따라서, 상기 영역은 기체 통류 금지부(P1)로서 기능한다.
<전기 화학 반응부(43)>
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 반응부(43)는, 금속 지지체(32) 상에 형성된 전극층(44)과, 전극층(44) 상에 형성된 중간층(45)과, 중간층(45) 상에 형성된 전해질층(46)을 구비한다. 그리고, 전기 화학 반응부(43)는, 또한, 전해질층(46) 상에 형성된 반응 방지층(47)과, 반응 방지층(47) 상에 형성된 대극 전극층(48)을 구비한다. 즉, 대극 전극층(48)은 전해질층(46) 상에 형성되고, 반응 방지층(47)은 전해질층(46)과 대극 전극층(48)과의 사이에 형성되어 있다. 전극층(44)은 다공질이며, 전해질층(46)은 치밀하다. 그리고, 전기 화학 소자(E)에 있어서 전기 화학 반응부(43)의 측방의 전부 또는 일부를 덮는 부재는 설치되지 않고, 전기 화학 반응부(43)의 측방은 개방되어 있다.
[금속 지지체(32)]
금속 지지체(32)는, 전극층(44), 중간층(45) 및 전해질층(46) 등을 지지하여 전기 화학 소자(E)의 강도를 유지한다. 즉, 금속 지지체(32)는, 전기 화학 소자(E)를 지지하는 지지체로서의 역할을 담당한다.
금속 지지체(32)의 재료로서는, 전자 전도성, 내열성, 내산화성 및 내부식성이 우수한 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스, 오스테나이트계 스테인레스, 니켈 기합금 등이 사용된다. 특히, 크롬를 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 본 실시형태에서는, 금속 지지체(32)는, Cr을 18 질량% 이상 25 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금을 사용하고 있지만, Mn을 0.05 질량% 이상 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti를 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Zr을 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti 및 Zr을 함유하고 Ti와 Zr과의 합계의 함유량이 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하인 Fe-Cr계 합금, Cu를 0.10 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금이면 특히 바람직하다.
금속 지지체(32)는 전체적으로 판형이다. 그리고, 금속 지지체(32)는, 전극층(44)이 설치되는 면을 표면측 면으로서, 표면측 면으로부터 이면측(裏面側) 면으로 관통하는 복수의 관통 공간을 가진다. 관통 공간은, 금속 지지체(32)의 이면측 면으로부터 표면측 면으로 기체를 투과시키는 기능을 가진다. 그리고, 판형의 금속 지지체(32)를 벤딩하거나 하여, 예를 들면, 상자형, 원통형 등의 형상으로 변형시켜 사용하는 것도 가능하다.
금속 지지체(32)의 표면에, 확산 억제층으로서의 금속 산화물층(도시하지 않음)이 설치된다. 즉, 금속 지지체(32)와 후술하는 전극층(44)과의 사이에, 확산 억제층이 형성되어 있다. 금속 산화물층은, 금속 지지체(32)의 외부로 노출된 면뿐아니라, 전극층(44)과의 접촉면(계면)에도 설치된다. 또한, 관통 공간의 내측의 면에 설치할 수도 있다. 이 금속 산화물층에 의해, 금속 지지체(32)와 전극층(44)과의 사이의 원소 상호 확산을 억제할 수 있다. 예를 들면, 금속 지지체(32)로서 크롬을 함유하는 페라이트계 스테인레스를 사용한 경우에는, 금속 산화물층이 주로 크롬 산화물로 이루어진다. 그리고, 금속 지지체(32)의 크롬 원자 등이 전극층(44)이나 전해질층(46)으로 확산되는 것을, 크롬 산화물을 주성분으로 하는 금속 산화물층이 억제한다. 금속 산화물층의 두께는, 확산 방지 성능의 높이와 전기 저항의 낮기를 양립시킬 수 있는 두께이면 된다.
금속 산화물층은 각종 방법에 의해 형성될 수 있지만, 금속 지지체(32)의 표면을 산화시켜 금속 산화물로 하는 방법이 바람직하게 이용된다. 또한, 금속 지지체(32)의 표면에, 금속 산화물층을 스프레이 코팅법[용사법(溶射法)]이나 에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition)법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클(particle) 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), 스퍼터링법이나 PLD법 등의 PVD법, CVD법 등에 의해 형성해도 되고, 도금과 산화 처리에 의해 형성해도 된다. 또한, 금속 산화물층은 도전성이 높은 스피넬(spinel) 상 등을 포함해도 된다.
금속 지지체(32)로서 페라이트계 스테인레스재를 사용한 경우, 전극층(44)이나 전해질층(46)의 재료로서 사용되는 YSZ[이트리아(yttria) 안정화 지르코니아]나 GDC(가드리움·도프·세리아, CGO라고도 함) 등과 열팽창 계수가 가깝다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우에도 전기 화학 소자(E)가 손상을 쉽게 받지 않는다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다.
[전극층]
전극층(44)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속 지지체(32)의 표면측의 면으로서 관통 공간이 설치된 영역보다 큰 영역에, 박층(薄層)의 상태로 설치할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛으로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 전극층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 관통 공간이 설치된 영역의 전체가, 전극층(44)에 덮혀져 있다. 즉, 관통 공간은 금속 지지체(32)에서의 전극층(44)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다. 환언하면, 모든 관통 공간이 전극층(44)에 접해 설치되어 있다.
전극층(44)의 재료로서는, 예를 들면, NiO―GDC, Ni―GDC, NiO―YSZ, Ni―YSZ, CuO―CeO2, Cu―CeO2 등의 복합재를 사용할 수 있다. 이들의 예에서는, GDC, YSZ, CeO2를 복합재의 골재라고 할 수 있다. 그리고, 전극층(44)은, 저온 소성법(燒成法)[예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 지역에서의 소성(燒成) 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법]이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법이나 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 지역에서의 소성을 이용하지 않고, 양호한 전극층(44)을 얻을 수 있다. 그러므로, 금속 지지체(32)를 손상시키지 않고, 또한, 금속 지지체(32)와 전극층(44)과의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로, 더욱 바람직하다.
전극층(44)은, 기체 투과성을 갖게 하기 때문에, 그 내부 및 표면에 복수의 세공(細孔)을 구비한다.
즉 전극층(44)은, 다공질인 층으로서 형성된다. 전극층(44)은, 예를 들면, 그 치밀도가 30% 이상 80% 미만으로 되도록 형성된다. 세공의 사이즈는, 전기 화학 반응을 행할 때 원활한 반응이 진행되는 것에 적절한 사이즈를 적절히 선택할 수 있다. 그리고, 치밀도란, 층을 구성하는 재료의 공간에 차지하는 비율로서, (1-공공률(空孔率)로 나타낼 수 있고, 또한 상대(相對) 밀도와 동등하다.
[중간층]
중간층(45)(삽입층)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전극층(44)을 덮은 상태에서, 전극층(44) 상에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 가장 바람직하게는 4㎛∼25㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 중간층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 중간층(45)의 재료로서는, 예를 들면, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)나 GDC(가드리움·도프·세리아), YDC(이트륨·도프·세리아), SDC(사마리움·도프·세리아) 등을 사용할 수 있다. 특히, 세리아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다.
중간층(45)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 지역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 지역에서의 소성을 이용하지 않고 중간층(45)을 얻을 수 있다. 그러므로, 금속 지지체(32)를 손상시키지 않고, 금속 지지체(32)와 전극층(44)과의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로, 더욱 바람직하다.
중간층(45)으로서는, 산소 이온(산화물 이온) 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 산소 이온(산화물 이온)과 전자와의 혼합 전도성을 가지면 더욱 바람직하다. 이들의 성질을 가지는 중간층(45)은, 전기 화학 소자(E)에 대한 적용에 적합하다.
[전해질층]
전해질층(46)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전극층(44) 및 중간층(45)을 덮은 상태에서, 중간층(45) 상에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하의 박막의 상태로 형성할 수도 있다. 상세하게는 전해질층(46)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 중간층(45) 위와 금속 지지체(32) 위에 걸쳐서 설치된다. 이와 같이 구성하고, 전해질층(46)을 금속 지지체(32)에 접합함으로써, 전기 화학 소자 전체적으로 견뢰성(堅牢性)이 우수한 것으로 할 수 있다.
또한 전해질층(46)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속 지지체(32)의 표면측의 면으로서 관통 공간이 설치된 영역보다 큰 영역에 설치된다. 즉, 관통 공간은 금속 지지체(32)에서의 전해질층(46)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다.
또한, 전해질층(46)의 주위에 있어서는, 전극층(44) 및 중간층(45)으로부터의 가스의 리크를 억제할 수 있다. 설명하면, 전기 화학 소자(E)를 SOFC의 구성 요소로서 사용하는 경우, SOFC의 작성 시에는, 금속 지지체(32)의 이면측으로부터 관통 공간을 통해 전극층(44)에 가스가 유통된다. 전해질층(46)이 금속 지지체(32)에 접하고 있는 부위에 있어서는, 개스킷 등의 별개의 부재를 설치하지 않고, 가스의 리크를 억제할 수 있다. 그리고, 본 실시형태에서는 전해질층(46)에 의해 전극층(44)의 주위를 모두 덮고 있지만, 전극층(44) 및 중간층(45)의 상부에 전해질층(46)을 설치하고, 주위에 개스킷 등을 설치하는 구성으로 해도 된다.
전해질층(46)의 재료로서는, YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)나 GDC(가드리움·도프·세리아), YDC(이트륨·도프·세리아), SDC(사마리움·도프·세리아), LSGM(스트론튬·마그네슘 첨가 란탄가레이트) 등의 산소 이온을 전도(傳導)하는 전해질 재료나, 페로브스카이트(perovskite)형 산화물 등의 수소 이온을 전도하는 전해질 재료를 사용할 수 있다. 특히, 지르코니아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다. 전해질층(46)을 지르코니아계 세라믹스로 하면, 전기 화학 소자(E)를 사용한 SOFC의 가동(稼動) 온도를 세리아계 세라믹스나 각종 수소 이온 전도성 재료에 비해 높게 할 수 있다. 예를 들면, 전기 화학 소자(E)를 SOFC에 사용하는 경우, 전해질층(46)의 재료로서 YSZ와 같은 650℃ 정도 이상의 고온 지역에서도 높은 전해질 성능을 발휘할 수 있는 재료를 이용하고, 시스템의 원연료에 도시가스나 LPG 등의 탄화수소계의 원연료를 이용하고, 원연료를 수증기 개질 등에 의해 SOFC의 애노드 가스로 하는 시스템 구성으로 하면, SOFC의 셀 스택에서 생기는 열을 원연료 가스의 개질에 사용하는 고효율의 SOFC 시스템을 구축할 수 있다.
전해질층(46)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 지역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들의, 저온역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 지역에서의 소성을 이용하지 않고, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성(barrier property)의 높은 전해질층(46)을 얻을 수 있다. 그러므로, 금속 지지체(32)의 손상을 억제하고, 또한, 금속 지지체(32)와 전극층(44)과의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 이용하면 저비용인 소자를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, 스프레이 코팅법을 이용하면, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층이 저온역에서 용이하게 얻기 쉬우므로 더욱 바람직하다.
전해질층(46)은, 애노드 가스나 캐소드 가스의 가스 리크를 차폐하고, 또한, 높은 이온 전도성을 발현(發現)하기 위해, 치밀하게 구성된다. 전해질층(46)의 치밀도는 90% 이상이 바람직하고, 95% 이상이면 더욱 바람직하고, 98% 이상이면 가장 바람직하다. 전해질층(46)은, 균일한 층인 경우에는, 그 치밀도가 95% 이상인 것이 바람직하고, 98% 이상이면 더욱 바람직하다. 또한, 전해질층(46)이, 복수의 층형(層形)으로 구성되어 있는 것과 같은 경우는, 그 중 적어도 일부가, 치밀도가 98% 이상인 층(치밀 전해질층)을 포함하고 있는 것이 바람직하고, 99% 이상인 층(치밀 전해질층)을 포함하고 있으면 더욱 바람직하다. 이와 같은 치밀 전해질층이 전해질층의 일부에 포함되어 있으면, 전해질층이 복수의 층형으로 구성되어 있는 경우라도, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층을 형성하기 쉽기 때문이다.
[반응 방지층]
반응 방지층(47)은, 전해질층(46) 상에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 가장 바람직하게는 3㎛∼15㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 반응 방지층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 반응 방지층(47)의 재료로서는, 전해질층(46)의 성분과 대극 전극층(48)의 성분과의 사이의 반응을 방지할 수 있는 재료이면 되지만, 예를 들면, 세리아계 재료 등이 사용된다. 또한, 반응 방지층(47)의 재료로서, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 하나 이상을 함유하는 재료가 바람직하게 사용된다. 그리고, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 하나 이상을 함유하고, 이들 원소의 함유율의 합계가 1.0 질량% 이상 10 질량% 이하이면 된다. 반응 방지층(47)을 전해질층(46)과 대극 전극층(48)과의 사이에 도입함으로써, 대극 전극층(48)의 구성 재료와 전해질층(46)의 구성 재료와의 반응이 효과적으로 억제되어, 전기 화학 소자(E)의 성능의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 반응 방지층(47)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도로 형성할 수 있는 방법을 적절히 사용하여 행하면, 금속 지지체(32)의 손상을 억제하고, 또한, 금속 지지체(32)와 전극층(44)과의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 예를 들면, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 지역에서의 소성 처리를 하지 않은 저온역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등을 적절히 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 이용하면 저비용인 소자가 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로, 더욱 바람직하다.
[대극 전극층]
대극 전극층(48)은, 전해질층(46) 또는 반응 방지층(47) 상에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛으로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 대극 전극층 재료의 사용량을 저감하여 비용 저감을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능해진다. 대극 전극층(48)의 재료로서는, 예를 들면, LSCF, LSM 등의 복합 산화물, 세리아계 산화물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 대극 전극층(48)이, La, Sr, Sm, Mn, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2 종류 이상의 원소를 함유하는 페로브스카이트형 산화물를 포함하는 것이 바람직하다. 이상의 재료를 사용하여 구성되는 대극 전극층(48)은, 캐소드로서 기능한다.
그리고, 대극 전극층(48)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도로 형성할 수 있는 방법을 적절히 사용하여 행하면, 금속 지지체(32)의 손상을 억제하고, 또한, 금속 지지체(32)와 전극층(44)과의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 예를 들면, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 지역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PDV법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등을 적절히 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 이용하면 저비용의 소자를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 이용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로, 더욱 바람직하다.
[고체 산화물 형태 연료 전지]
이상과 같이 전기 화학 소자(E)를 구성함으로써, 전기 화학 소자를 연료 전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 전기 화학 소자(E)를 고체 산화물 형태 연료 전지의 발전 셀로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 금속 지지체(32)의 이면측의 면으로부터 관통 공간을 통해 수소를 포함하는 연료 가스를 전극층(44)에 유통하고, 전극층(44)의 대극으로 되는 대극 전극층(48)에 공기를 유통하고, 예를 들면, 500℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 작동시킨다. 그러면, 전해질층(46)에 산소 이온을 전도하는 전해질 재료를 사용한 경우에는, 대극 전극층(48)에 있어서 공기에 포함되는 산소(O2)가 전자 e-와 반응하여 산소 이온 O2 -가 생성된다. 그 산소 이온 O2 -가 전해질층(46)을 통해 전극층(44)으로 이동한다. 전극층(44)에 있어서는, 유통된 연료 가스에 포함되는 수소 H2가 산소 이온 O2 -와 반응하고, 물 H2O과 전자 e-가 생성된다. 전해질층(46)에 수소 이온을 전도하는 전해질 재료를 사용한 경우에는, 전극층(44)에 있어서 유통된 연료 가스에 포함되는 수소 H2가 전자 e-를 방출하여 수소 이온 H＋가 생성된다. 그 수소 이온 H＋가 전해질층(46)을 통해 대극 전극층(48)로 이동한다. 대극 전극층(48)에 있어서 공기에 포함되는 산소(O2)와 수소 이온 H＋, 전자 e-가 반응하여 물 H2O이 생성된다. 이상의 반응에 의해, 전극층(44)과 대극 전극층(48)과의 사이에 기전력(起電力)이 발생한다. 이 경우, 전극층(44)은 SOFC의 연료극(애노드)으로서 기능하고, 대극 전극층(48)은 공기극(空氣極)(캐소드)으로서 기능한다.
[전기 화학 소자의 제조 방법]
다음에, 전기 화학 소자(E)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
[전극층 형성 스텝]
전극층 형성 스텝에서는, 금속 지지체(32)의 표면측의 면의 관통 공간이 설치된 영역으로부터 넓은 영역에 전극층(44)이 박막의 상태로 형성된다. 금속 지지체(32)의 관통공은 레이저 가공 등에 의해 설치할 수 있다. 전극층(44)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 이용할 수 있다. 어느 방법을 이용하는 경우라도, 금속 지지체(32)의 열화를 억제하므로, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
전극층 형성 스텝을 저온 소성법으로 행하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 예와 같이 행한다. 먼저 전극층(44)의 재료 분말과 용매[분산매(分散媒)]를 혼합하여 재료 페이스트를 작성하고, 금속 지지체(32)의 표면측의 면에 도포한다. 그리고, 전극층(44)을 압축 성형하고(전극층 평활화 공정), 1100℃ 이하에서 소성한다(전극층 소성 공정). 전극층(44)의 압축 성형은, 예를 들면, CIP[Cold Isostatic Pressing , 냉간(冷間) 정수압 가압] 성형, 롤 가압 성형, RIP(Rubber Isostatic Pressing) 성형 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 전극층의 소성은, 800℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 전극층 평활화 공정과 전극층 소성 공정의 순서를 교체할 수도 있다.
그리고, 중간층(45)을 가지는 전기 화학 소자를 형성하는 경우에는, 전극층 평활화 공정이나 전극층 소성 공정을 생략하거나, 전극층 평활화 공정이나 전극층 소성 공정을 후술하는 중간층 평활화 공정이나 중간층 소성 공정에 포함되는 것도 할 수 있다.
그리고, 전극층 평활화 공정은, 랩 성형이나 레벨링 처리, 표면의 절삭·연마 처리 등을 행함으로써 행함으로써도 할 수 있다.
[확산 억제층 형성 스텝]
전술한 전극층 형성 스텝에서의 소성 공정 시에, 금속 지지체(32)의 표면에 금속 산화물층(확산 억제층)이 형성된다. 그리고, 상기 소성 공정에, 소성 분위기를 산소 분압(分壓)이 낮은 분위기 조건으로 하는 소성 공정이 포함되어 있으면 원소의 상호 확산 억제 효과가 높아, 저항값이 낮은 양질인 금속 산화물층(확산 억제층)이 형성되므로, 바람직하다. 전극층 형성 스텝을, 소성을 행하지 않는 코팅 방법으로 하는 경우를 포함하고, 별도의 확산 억제층 형성 스텝을 포함해도 된다. 어딘가에 있어서도, 금속 지지체(32)의 손상을 억제 가능한 1100℃ 이하의 처리 온도로 행하는 것이 바람직하다. 또한, 후술하는 중간층 형성 스텝에서의 소성 공정 시에, 금속 지지체(32)의 표면에 금속 산화물층(확산 억제층)이 형성되어도 된다.
[중간층 형성 스텝]
중간층 형성 스텝에서는, 전극층(44)을 덮는 형태로, 전극층(44) 상에 중간층(45)이 박층의 상태로 형성된다. 중간층(45)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 이용할 수 있다. 어느 방법을 이용하는 경우라도, 금속 지지체(32)의 열화를 억제하므로, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
중간층 형성 스텝을 저온 소성법으로 행하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 예와 같이 행한다.
먼저, 중간층(45)의 재료 분말과 용매(분산매)를 혼합하여 재료 페이스트를 작성하고, 금속 지지체(32)의 표면측의 면에 도포한다. 그리고, 중간층(45)을 압축 성형하고(중간층 평활화 공정), 1100℃ 이하에서 소성한다(중간층 소성 공정). 중간층(45)의 압연(壓延)은, 예를 들면, CIP(Cold Isostatic Pressing , 냉간 정수압 가압) 성형, 롤 가압 성형, RIP(Rubber Isostatic Pressing) 성형 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 중간층(45)의 소성은, 800℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 온도이면, 금속 지지체(32)의 손상·열화를 억제하면서, 강도의 높은 중간층(45)을 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 중간층(45)의 소성을 1050℃ 이하에서 행하면 더욱 바람직하고, 1000℃ 이하에서 행하면 더욱 바람직하다. 이것은, 중간층(45)의 소성 온도를 저하시키는 정도로, 금속 지지체(32)의 손상·열화를 더욱 억제하면서, 전기 화학 소자(E)를 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 중간층 평활화 공정과 중간층 소성 공정의 순서를 교체할 수도 있다.
그리고, 중간층 평활화 공정은, 랩 성형이나 레벨링 처리, 표면의 절삭·연마 처리 등을 행함으로써 행함으로써도 할 수 있다.
[전해질층 형성 스텝]
전해질층 형성 스텝에서는, 전극층(44) 및 중간층(45)을 덮은 상태에서, 전해질층(46)이 중간층(45) 상에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하의 박막의 상태로 형성되어도 된다. 전해질층(46)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 이용할 수 있다. 어느 방법을 이용하는 경우라도, 금속 지지체(32)의 열화를 억제하므로, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
치밀하며 기밀성 및 가스 배리어 성능의 높은, 양질인 전해질층(46)을 1100℃ 이하의 온도역에서 형성하기 위해서는, 전해질층 형성 스텝을 스프레이 코팅법으로 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 전해질층(46)의 재료를 금속 지지체(32) 상의 중간층(45)을 향해 분사하고, 전해질층(46)을 형성한다.
[반응 방지층 형성 스텝]
반응 방지층 형성 스텝에서는, 반응 방지층(47)이 전해질층(46) 상에 박층의 상태로 형성된다. 반응 방지층(47)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 이용할 수 있다. 어느 방법을 이용하는 경우라도, 금속 지지체(32)의 열화를 억제하므로, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 그리고, 반응 방지층(47)의 상측의 면을 평탄하게 하기 위해, 예를 들면, 반응 방지층(47)의 형성 후에 레벨링 처리나 표면을 절삭·연마 처리를 행하거나, 습식 형성 후 소성 전에, 프레스 가공을 행해도 된다.
[대극 전극층 형성 스텝]
대극 전극층 형성 스텝에서는, 대극 전극층(48)이 반응 방지층(47) 상에 박층의 상태로 형성된다. 대극 전극층(48)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 이용할 수 있다. 어느 방법을 이용하는 경우라도, 금속 지지체(32)의 열화를 억제하므로, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 하여, 전기 화학 소자(E)를 제조할 수 있다.
그리고, 전기 화학 소자(E)에 있어서, 중간층(45)(삽입층)과 반응 방지층(47)은, 어느 한쪽, 또는 양쪽을 구비하지 않는 형태로 하는 것도 가능하다. 즉, 전극층(44)과 전해질층(46)이 접촉하여 형성되는 형태, 또는 전해질층(46)과 대극 전극층(48)이 접촉하여 형성되는 형태도 가능하다. 이 경우에 전술한 제조 방법에서는, 중간층 형성 스텝, 반응 방지층 형성 스텝이 생략된다. 그리고, 다른 층을 형성하는 스텝을 추가하거나, 동종의 층을 복수 적층하거나 하는 것도 가능하지만, 어느 경우라도, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
그리고, 이상과 같이 구성한 전기 화학 소자(E)는, 전기 화학 모듈(M)로서 구성되고, 전기 화학 소자를 연료 전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 다음과 같이 동작하여, 발전할 수 있다.
전기 화학 소자(E)는, 도 2 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 복수의 전기 화학 소자(E)가 집전 부재(26) 및 접착재(29)를 통해 전기적으로 접속된 상태로, 가스 매니폴드(17)에 병렬 배치된다. 그리고, 커버부(34) 및 반응 배기 가스 배출구(37)가 설치된 상단 EU와는 반대측의 하단 ED(도 5에서의 지면(紙面) 중 아래쪽의 단부)가, 가스 매니폴드(17)에 대하여 고정된다. 가스 매니폴드(17)은, 개질 가스 유입구(35)에 대하여 개질 가스를 유통한다. 그리고, 전기 화학 소자(E)는 700℃ 정도의 작동 온도에 유지된다.
그리고, 도 5에서는, 분할체(70)는, 하단 ED로부터 반응 배기 가스 배출구(37)가 설치된 상단 EU까지 연장되어 있다. 단, 분할체(70)는, 반응 배기 가스 배출구(37)로부터의 기체의 배출을 저해하지 않을 정도로, 반응 배기 가스 배출구(37)는 접촉되지 않도록, 반응 배기 가스 배출구(37)로부터 이격된 위치까지 연장되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
개질 가스 유입구(35)에 유통된 개질 가스는, 개질 가스 통류부(36)에 형성된 복수의 분할 유로(A)를 통해 반응 배기 가스 배출구(37)를 향해 흐른다. 그 도중에, 개질 가스의 일부는 관통공(38)을 통해 통형 지지체(31)의 내측으로부터 외측으로 유출되고, 전기 화학 반응부(43)의 전극층(44)에 도달한다. 여기서, 복수의 분할 유로(A)를 흐르는 개질 가스는, 전술한 도 8과 같이, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 개질 가스의 유속이 대략 일정하다. 따라서, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 임의의 복수 지점에 있어서, 분할 유로(A)로부터 통형 지지체(31)의 관통공(38)을 통해 전기 화학 반응부(43)에 유통되는 개질 가스의 양을 대략 일정하게 할 수 있다.
한편, 블로어(5)로부터 수납 용기(10)에 유통된 공기가, 전기 화학 소자(E)의 기체 공급 공간 S에 도달한다. 그리고, 기체 공급 공간 S로부터 공기가, 집전 부재(26) 및 접착재(29)를 통해, 또는 전기 화학 반응부(43)의 측방으로부터 직접, 전기 화학 반응부(43)의 대극 전극층(48)에 도달한다.
그러면, 대극 전극층(48)에 있어서 공기에 포함되는 산소(O2)가 전자 e-와 반응하여 산소 이온 O2 -가 생성된다. 그 산소 이온 O2 -가 전해질층(46)을 통해 전극층(44)으로 이동한다. 전극층(44)에 있어서는, 유통된 개질 가스에 포함되는 수소 H2가 산소 이온 O2 -와 반응하고, 물 H2O과 전자 e-가 생성된다. 또한, 유통된 개질 가스에 포함되는 일산화탄소 CO가 산소 이온 O2 -와 반응하고, 이산화탄소 CO2와 전자 e-가 생성된다. 이상의 반응에 의해, 전극층(44)과 대극 전극층(48)과의 사이에 기전력이 발생한다.
1개의 전기 화학 반응부(43)의 대극 전극층(48)에 접착재(29)를 통해 집전 부재(26)가 접속되고, 그 집전 부재(26)가 다른 통형 지지체(31)의 배면(39)에 접촉한다. 이와 같이 하여 복수의 전기 화학 소자(E)가 직렬로 접속되어 있으므로, 전기 화학 소자(E)에 발생한 기전력이 더하여 합쳐진 전압이, 전류 인출부(28)에 생긴다.
개질 가스 통류부(36)의 종단까지 도달한 개질 가스는, 전기 화학 반응부(43)에서 소비되지 않았던 잔여의 수소 가스와 함께, 반응 배기 가스로서 반응 배기 가스 배출구(37)보다 전기 화학 소자(E)의 외부로 배출된다. 반응 배기 가스 배출구(37)에서 배출된 반응 배기 가스는, 블로어(5)로부터 수납 용기(10)로 유통된 공기와 혼합되고, 반응 배기 가스 배출구(37)의 근방의 연소부(6)에 의해 연소하고, 개질기(4)를 가열한다.
상기한 구성에 의하면, 개질 가스는, 복수의 분할 유로(A)를 따라 흐르는 것에 의한 정류 작용에 의해, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 임의의 복수 지점에 있어서, 유속이 대략 일정하도록 되어, 전기 화학 반응부(43)에 유통되는 개질 가스의 양이 대략 일정해진다. 이로써, 개질 가스의 부족한 부분과, 과잉으로 유통되는 부분과의 차이를 작게 하고, 전기 화학 소자(E) 전체에 있어서 전기 화학 반응을 행하게 하여, 연료 이용률을 향상시켜 전기 화학 소자(E)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 개질 가스 통류부(36)를 개질 가스가 흐르고 있고, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 양 단부 중앙부에서 개질 가스의 유속이 상이한 경우에는, 개질 가스가 길이 방향으로 진행될수록, 유속이 늦은 양 단부로부터 전극층(44)에 대한 개질 가스의 유통이 부족하여, 기체 중의 개질 가스의 농도가 저하되어 버려, 전극층(44)이 산화 열화된다. 한편, 폭 방향의 중앙부에서는, 전극층(44)에서 이용되지 않은 채 개질 가스가 전기 화학 소자(E)의 상단 EU의 반응 배기 가스 배출구(37)로부터 배출된다. 즉, 농도가 높은 채의 개질 가스가 반응 배기 가스 배출구(37)로부터 배출된다. 그러므로, 유속이 늦은 양 단부에서의 전극층(44)의 산화 열화를 억제하기 위해, 전기 화학 반응을 억제하여 전극층(44)에서 소비하는 개질 가스의 양을 억제하면, 유속이 빠른 중앙부에 있어서 또한 전극층(44)에서 이용되지 않은 개질 가스의 양이 증가한다. 결과로서, 전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응의 반응 효율이 저하하여, 발전 효율이 저하된다.
상기 본 실시형태에 의하면, 전술한 바와 같이, 통형 지지체(31)의 폭 방향의 임의의 복수 지점에 있어서 개질 가스의 유속이 대략 일정하므로, 유속이 늦은 지점에 맞추어 전기 화학 반응을 억제할 필요가 없어, 전기 화학 소자(E)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 전극층(44)에서 이용되는 개질 가스의 양을 많게 하여 개질 가스의 이용률을 높일 수 있다. 발전 효율은, 전기 화학 모듈(M)의 셀 전압과, 개질 가스의 이용률과의 곱에 비례한다. 따라서, 개질 가스의 이용률을 높임으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는, 전기 화학 반응부(43)는, 금속 지지체(32)의 대략 전체면에 형성되어 있다. 그러나, 전기 화학 반응부(43)는, 길이 방향으로 연장되는 복수의 분할 유로(A) 각각에 대응하여, 길이 방향을 따라 분할되어 형성되어 있어도 된다. 예를 들면, 하나의 분할 유로(A)에 대응하여 하나의 전기 화학 반응부(43)가 길이 방향으로 연장되어 형성되고, 다른 분할 유로(A)에 대응하여, 하나의 전기 화학 반응부(43)로부터 분리된 다른 전기 화학 반응부(43)가 길이 방향으로 연장되어 형성되어 있어도 된다. 단, 전기 화학 반응부(43)를 금속 지지체(32)의 대략 전체면에 형성하는 경우에는, 각 분할 유로(A)에 대하여 별개로 전기 화학 반응부(43)를 형성하는 것보다, 간단하게 전기 화학 반응부(43)를 형성할 수 있다.
다음에, 도 9를 참조하여, 전기 화학 소자(E)의 제조의 수순을 설명한다.
먼저, 금속 지지체(32)에 복수의 관통공(38)을 형성한다(＃1). 관통공(38)의 형성은, 예를 들면, 레이저 가공 등에 의해 행할 수 있다. 이로써, 금속 지지체(32)에 선택적으로 기체 통류 허용부(P2)[구멍 영역(P2)과 기체 통류 금지부(P1)]가 설치된다.
다음에, 금속 지지체(32)의 구멍 영역(P2)의 전체를 덮어, 전기 화학 반응부(43)를 설치한다(＃2). 전기 화학 반응부(43)는, 전극층(44), 중간층(45), 전해질층(46), 반응 방지층(47), 대극 전극층(48)의 순으로 설치된다. 이들은 모두막의 상태로 금속 지지체(32) 상에 형성된다. 전기 화학 반응부(43)의 형성은, 인쇄나 스프레이 등에 의한 습식법, 에어로졸 데포지션법, 용사법, 스퍼터링법, 펄스레이저 데포지션법 등을 적절히 사용하여 행할 수 있다.
다음에, U자 부재(33)를 금속 지지체(32)에 접합하고, U자 부재(33)와 금속 지지체(32)에 의해 형성된 개질 가스 통류부(36)와 분할체(70)를 삽입한다(＃3).
마지막으로, 미리 반응 배기 가스 배출구(37)를 형성한 커버부(34)를, U자 부재(33) 및 금속 지지체(32)에 접합한다(＃4). 각 부재의 접합에는, 용접 등의 적절한 방법을 이용할 수 있다.
[다른 실시형태]
(1) 상기 실시형태의 전기 화학 소자(E)에서는, 전기 화학 반응부(43)가, 개질 가스 통류부(36)인 내부 공간을 가지는 통형 지지체(31)에 배치되어 있다. 그러나, 전기 화학 반응부(43)는 통형 지지체(31)에 지지되는 형태가 아니라도 된다.
예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 통형 지지체(31)에 있어서 U자 부재(33)가 생략되고, 금속 지지체(32)(제2 판형체)만을 가지고 있어도 된다. 하나의 전기 화학 소자(E1)에 있어서, 금속 지지체(32)의 상면(32a)에 전기 화학 반응부(43)가 배치되어 있다. 또한, 금속 지지체(32)의 하면(32b)에 복수의 분할 유로(A) 및 (B)를 가지는 분할체(70)(제1 판형체)가 배치되어 있고, 분할체(70)의 산의 정상부(71)와 금속 지지체(32)의 하면(32b)은 접촉되고 있다. 금속 지지체(제2 판형체)(32)와 분할체(제1 판형체)(70)가 판형 지지체를 구성하고 있다.
여기서, 분할 유로(A)에는 가스 매니폴드(17)로부터 개질 가스가 유통되도록, 분할 유로(A)와 가스 매니폴드(17)가 접속되어 있다. 따라서, 분할 유로(A)에서는, 하단 ED로부터 상단 EU를 향해 개질 가스가 흐른다. 분할 유로(A)와 전극층(44)이 금속 지지체(32)를 통해 대향하고 있고, 분할 유로(A)를 흐르는 개질 가스가 금속 지지체(32)의 관통공(38)을 통해 전극층(44)에 유통된다. 한쪽, 분할 유로(B)에는 블로어(5)로부터 공기가 유통되고, 하단 ED로부터 상단 EU를 향해 공기가 흐른다. 또한, 하나의 전기 화학 소자(E1)에 있어서, 전기 화학 반응부(43)의 표리의 면 중, 금속 지지체(32)는 반대측의 면에, 접착재(29)에 의해 집전 부재(26)가 접착되어 있다.
그리고, 하나의 전기 화학 소자(E1)의 집전 부재(26)와, 다른 전기 화학 소자(E2)의 분할체(70)를 접촉시킨 상태 또는 용접 등에 의해 접합한 상태로, 복수의 전기 화학 소자(E)가 병렬 배치되어 있다. 이 경우, 하나의 전기 화학 소자(E1)의 집전 부재(26)는, 다른 전기 화학 소자(E2)의 분할체(70)의 분할 유로(B)와 접촉되고 있다. 집전 부재(26) 및 접착재(29)는 기체 투과성을 가지고 있고, 다른 전기 화학 소자(E2)의 분할체(70)의 분할 유로(B)를 흐르는 공기가, 하나의 전기 화학 소자(E1)의 대극 전극층(48)에 유통된다.
이와 같은 구성에 의해, 전기 화학 반응부(43)에는 개질 가스 및 공기가 유통되어 전기 화학 반응이 생겨, 발전이 행해진다.
도 10에는, 집전 부재(26)를 통해, 전기 화학 소자(E1)와 다른 전기 화학 소자(E2)가 접속되어 있는 예가 나타나 있지만, 집전 부재(26)를 생략해도 된다. 이 경우에도, 분할 유로(B)에는 블로어(5)(도 1)로부터 공기가 유통되고, 하단 ED로부터 상단 EU를 향해 공기가 흐른다.
상기에서는, 각 분할체(70)에 있어서, 산의 정상부(71)와, 금속 지지체(32)의 하면(32b)이 접촉되고 있으므로, 복수의 유로가 완전히 분할되어 분할 유로(A)가 형성되어 있다. 그러나, 분할체(70)가 금속 지지체(32)와 함께 폐쇄된 공간을 형성하고 있는 것이면, 각 분할 유로가 완전히 분할되어 있을 필요는 없다. 예를 들면, 좌측의 단부에서의 분할체(70)의 산의 정상부(71) 및 우측의 단부에서의 분할체(70)의 산의 정상부(71)와, 금속 지지체(32)의 하면(32b)이 접촉하여 공간이 형성되고, 그 외의 분할체(70)의 산 및 골이 그 공간 내에 서로 연통 가능한 복수의 유로를 형성하고 있어도 된다.
그리고, 분할체(70)는, 전기 화학 소자(E)의 길이 방향을 따라서 뻗어 있고, 이로써, 분할체(70)의 산 및 골이 전기 화학 소자(E)의 길이 방향을 따르도록 연장되어 있다.
(2) 상기 실시형태에서는, 분할체(70)는 파판이 사용되었다. 그러나, 분할체(70)의 형상은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 도 11에 나타낸 바와 같이, 단면에서 볼 때의 형상이 사다리꼴의 분할 유로(A)를 가지는 분할체(70)라도 된다. 도 11의 분할체(70)의 경우, 단면에서 볼 때, 산 및 골이 교호적으로 형성되어 있고, 산의 정상면(頂面)(74) 및 골의 바닥면(75)이 서로 평행한 직선형이며, 산의 정상면(74)과 골의 바닥면(75)이 경사면(76)에 의해 접속되어 있다.
이와 같은 분할체(70)가 개질 가스 통류부(36)에 배치된 경우, 산의 정상면(74)은, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 접하고, 골의 바닥면(75)은, U자 부재(33)의 개질 가스 통류부(36)에 면하는 바닥면(33a)과 접한다. 이로써, 개질 가스 통류부(36)에는, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 분할체(70)에 의해 에워싸인 공간에 의해, 통형 지지체(31)의 길이 방향으로 연장되는 복수의 분할 유로(A)가 형성된다. 또한, 개질 가스 통류부(36)에는, U자 부재(33)의 바닥면(33a)과 분할체(70)에 의해 에워싸인 공간에 의해, 통형 지지체(31)의 길이 방향으로 연장되는 복수의 분할 유로(B)가 형성된다. 분할 유로(A)와 분할 유로(B)는, 도 11에 나타낸 바와 같이, 교호적으로 형성된다.
여기서, 예를 들면, 분할 유로(A)의 폭(d3) 및 분할 유로(B)의 폭(d4)은 대략 동일해도 되고, 폭(d3)이 폭(d4)보다 커져도 된다. 폭(d3)이 클 경우에는, 분할 유로(A) 내를 흐르는 개질 가스의 양을 많게 하여, 발전 효율을 크게 할 수 있어 바람직하다.
또한, 예를 들면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 단면에서 볼 때의 형상이 위쪽이 개구된 U자형의 분할 유로(A)를 가지는 분할체(70)라도 된다. 도 12의 분할체(70)의 경우, 단면에서 볼 때, 저벽(77)에 대하여 위쪽으로 연장되는 복수의 세로벽(78)이 형성되어 있다. 인접하는 세로벽(78) 사이의 사이로 분할 유로(A)가 형성된다. 이와 같은 분할체(70)가 개질 가스 통류부(36)에 배치된 경우, 저벽(77)은, U자 부재(33)의 개질 가스 통류부(36)에 면하는 바닥면(33a)과 접하고, 세로벽(78)의 정상부(78a)는, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 접한다. 이로써, 개질 가스 통류부(36)에는, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 분할체(70)에 의해 에워싸인 공간에 의해, 통형 지지체(31)의 길이 방향으로 연장되는 복수의 분할 유로(A)가 형성된다.
그 외에, 단면에서 볼 때의 형상이 직사각형상, 정사각형상 및 삼각형상 등의 유로를 가지는 분할체(70)라도 된다.
(3) 상기 실시형태에서는, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 분할체(70)의 산의 정상부(71)는, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과 접하고, 골의 바닥부(73)는, U자 부재(33)의 개질 가스 통류부(36)에 면하는 바닥면(33a)과 접하고 있다. 즉, 모든 분할 유로(A)가 서로 분리되어 있다.
그러나, 복수의 분할 유로(A)를 따라 개질 가스가 흐르는 것에 의한 정류 작용이 어느 정도 확보되는 것이면, 분할체(70)의 산의 정상부(71)와, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과의 사이에는, 적어도 일부에 있어서 간극이 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 분할체(70)의 산 및 골에 의해 복수의 분할 유로(A)가 형성되어 있을뿐, 간극에 있어서 적어도 일부의 분할 유로(A)끼리가 연통되어 있고, 각각이 완전히 분리되어 있는 것은 아니다.
예를 들면, 모든 분할 유로(A)에 있어서, 분할체(70)의 산의 정상부(71)와, 금속 지지체(32)의 하면(32b)과의 사이에 간극이 형성되어 있어도 된다. 또한, 흐름 교차 방향의 양단에 위치하는 분할 유로(A)에 있어서, 분할체(70)의 산의 정상부(71)와 금속 지지체(32)의 하면(32b)이 접촉하지만, 그 외의 양단 이외의 분할 유로(A)에 있어서, 분할체(70)의 산의 정상부(71)와 금속 지지체(32)의 하면(32b)과의 사이에 간극이 형성되어 있어도 된다.
상기 구성과 같이 분할 유로(A)가 연통되어 있는 경우라도, 개질 가스는, 개질 가스 통류부(36)에 있어서 복수의 분할 유로(A)를 흐름으로써, 복수의 분할 유로(A) 각각에 따라 안내되어 흐른다. 따라서, 복수의 분할 유로(A)를 흐르는 것에 의한 정류 작용에 의해, 흐름 교차 방향의 중앙부 및 양 단부를 포함하는 임의의 복수 지점에 있어서, 전기 화학 반응부(43)에 유통되는 기체의 양을 대략 일정하게 하고, 전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상되어 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
(4) 상기 실시형태에서는, 분할체(70)는 통형 지지체(31)의 길이 방향에 있어서 대략 동일 형상으로 연장되어 있다. 그러나, 분할체(70)는, 길이 방향의 임의의 개소에 있어서 형상이 변경되도록 형성되어 있어도 된다.
예를 들면, 개질 가스를 분할 유로(A) 및 (B)에 유통시키는 경우, 도 13 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 분할체(70)는, 길이 방향으로 예를 들면, 2개의 상이한 형상의 분할 유로가 접속되어 형성되어 있다. 도 13에서는, 지면 바로 앞쪽의 분할체(70a)와, 지면 안쪽의 분할체(70b)는, 각각의 분할체(70a)의 산 및 골의 단면에서 볼 때에 있어서의 위상이 대략 180°상이하다. 이로써, 분할체(70a)의 예를 들면, 분할 유로(B1), (B20, (B3), (B4)는, 분할체(70b)의 예를 들면, 분할 유로(A1a), (A2a), (A3a), (A4a)에 대응하여 배치되어 있다. 따라서, 분할체(70a)의 분할 유로(B1)을 따라 흐른 개질 가스는, 분할체(70b)의 분할 유로(A1a)로 이송되고, 분할 유로(A1a)를 따라 흐른다. 마찬가지로, 분할체(70a)의 분할 유로(B2), (B3), (B4)를 따라 흐른 개질 가스는, 분할체(70b)의 분할 유로(A2a), (A3a), (A4a)로 이송되고, 분할 유로(A2a), (A3a), (A4a)를 따라 흐른다.
한쪽, 분할체(70a)의 예를 들면, 분할 유로(A1), (A2), (A3), (A4)는, 분할체(70b)의 예를 들면, 분할 유로(B1a), (B2a), (B3a), (B4a)에 대응하여 배치되어 있다. 따라서, 분할체(70a)의 분할 유로(A1), (A2), (A3), (A4)를 따라 흐른 개질 가스는, 분할체(70b)의 분할 유로(B1a), (B2a), (B3a), (B4a)로 이송되고, 분할 유로(B1a), (B2a), (B3a), (B4a)를 따라 흐른다.
이와 같이, 분할 유로(A), (B), (Aa), (Ba)를 구성함으로써, 분할체(70a)에 있어서 금속 지지체(32)는 분리된 분할 유로(B)를 흐르는 개질 가스를, 분할체(70b)에 있어서 금속 지지체(32)에 면하는 분할 유로(Aa)에 흐르도록 할 수 있다. 이로써, 분할체(70a)의 분할 유로(B)를 흐름으로써 전기 화학 반응부(43)에 유통되지 않았다 개질 가스를, 분할체(70b)의 분할 유로(Aa)를 흐르게 하여, 분할 유로(Aa)로부터 금속 지지체(32)를 통해 전기 화학 반응부(43)에 유통시킬 수 있다. 그러므로, 전극층(44)에서 이용되는 개질 가스의 양을 많게 하여 개질 가스의 이용률을 높여, 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 전극층(44)에 있어서, 하단 ED의 개질 가스 유입구(35) 측의 단부와, 전기 화학 소자(E)의 상단 EU의 반응 배기 가스 배출구(37) 측의 단부에서, 개질 가스 농도를 적당히 조정하는 것도 가능해지고, 상기 문제점이었던 반응 배기 가스 배출구(37) 측의 단부에서의 개질 가스 부족에 의한 반응 효율의 저하를 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 분할체(70a)에서는, 개질 가스가 분할 유로(A)로부터 전기 화학 반응부(43)에 유통됨으로써, 분할 유로(A)를 따라 전기 화학 반응부(43)가 고온으로 된다. 한쪽, 분할체(70b)에서는, 전기 화학 반응부(43)에 접해 있지 않은 분할 유로(B)로부터는 개질 가스가 유통되지 않기 때문에, 분할 유로(B)에 따른 전기 화학 반응부(43)의 고온화를 억제할 수 있다. 마찬가지로, 분할체(70b)에서는, 분할 유로(Aa)에 따른 전기 화학 반응부(43)가 고온으로 되지만, 분할 유로(Ba)에 따른 전기 화학 반응부(43)의 고온화는 억제된다. 따라서, 전기 화학 반응부(43) 전체에 있어서, 고온으로 되는 영역을 분산할 수 있으므로, 전기 화학 반응부(43)의 열화를 억제할 수 있다.
그리고, 분할체(70)가 길이 방향으로 형상이 상이한 부분은, 길이 방향에 있어서 2개소 이상의 복수 개소에 설치되어 있어도 된다. 이 경우에도 상기와 마찬가지로, 파형의 분할체(70)의 단면에서 볼 때, 길이 방향으로 서로 인접하는 한쪽의 파형의 위상과 다른 쪽의 파형의 위상이 대략 180°상이하도록 형성되도록 한다.
(5) 상기 실시형태에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 인접하는 산의 정상부(71) 사이의 폭이 대략 일정하게 되도록 산 및 골이 형성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 단변(短邊) 방향의 임의의 복수 지점에서의 개질 가스의 유속이 상이한 경우에는, 개질 가스의 유속에 따라서, 산의 정상부(71) 사이의 폭 d1) 등을 상이하게 해도 된다. 예를 들면, 개질 가스의 유속이 빠른 분할 유로(A)에서는, 산의 정상부(71) 사이의 폭(d1)을 크게 해도 된다.
(6) 상기 실시형태에서는, 통형 지지체(31)의 개질 가스 통류부(36)가 가스 매니폴드(17)에 접속되어 있고, 분할 유로(A) 및 분할 유로(B)의 양쪽에 개질 가스가 유통된다. 분할 유로(B)는, 전기 화학 반응부(43)는 분리되어 있고 개질 가스를 전기 화학 반응부(43)에 유통할 수 없다. 그래서, 분할 유로(A)만을 가스 매니폴드(17)에 접속하고, 분할 유로(A)에만 개질 가스를 유통시켜도 된다. 또한, 분할 유로(B)에 개질 가스가 흐르지 않도록 분할 유로(B)의 개구를 막도록 해도 된다. 이로써, 전기 화학 반응부(43)에 유통되지 않고 발전에 이용되지 않는 개질 가스의 양을 감소시킬 수 있다.
(7) 상기 실시형태에서는, 전기 화학 반응부(43)는, 전극층(44), 중간층(45), 전해질층(46), 반응 방지층(47) 및 대극 전극층(48)을 가지고, 이 순서로 금속 지지체(32)에 적층된다. 그러나, 적층 순서가 역이라도 된다. 예를 들면, 전기 화학 반응부(43)는, 대극 전극층(48), 반응 방지층(47), 전해질층(46), 중간층(45) 및 전극층(44)의 순서로 금속 지지체(32)에 적층되어 있어도 된다.
(8) 상기 실시형태에서는, 전기 화학 반응부(43)는, 통형 지지체(31)의 표면[도 4의 금속 지지체(32)(제2 판형체)의 상면(32a)]에 형성되어 있다. 그러나, 전기 화학 반응부(43)는, 개질 가스 통류부(36)(내부 유로) 내에 배치되고, 통형 지지체(31)의 표면과는 반대의 면에 형성되어 있어도 된다.
(9) 상기 실시형태에서는, 도 6 등에 나타낸 바와 같이 금속 지지체(32)에 관통공(38)이 형성되어 있다. 그러나, 금속 지지체(32)에 관통공(38)이 형성되는 대신에, U자 부재(33)에 관통공이 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 예를 들면, 통형 지지체(31)의 분할 유로(B)에 공기를 흐르게 하고, 분할 유로(B)를 흐르는 공기를, U자 부재(33)에 형성된 관통공을 통해, 인접하는 전기 화학 소자(E)의 대극 전극층(48)에 유통시킬 수 있다.
또는, 금속 지지체(32) 및 U자 부재(33)의 양쪽에 관통공이 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 분할 유로(A)를 흐르는 개질 가스를 금속 지지체(32)의 관통공을 통해 전극층(44)에 유통시키고, 분할 유로(B)를 흐르는 공기를 U자 부재(33)에 형성된 관통공을 통해, 인접하는 전기 화학 소자(E)의 대극 전극층(48)에 유통시킬 수 있다.
(10) 상기 실시형태에서는, 분할체(70)는 일련의 파판으로 형성되어 있다. 그러나, 통형 지지체(31)의 개질 가스 통류부(36)에 있어서, 개질 가스가 복수의 흐르게 되어 흐르는 것이면, 분할체(70)는 일련의 파판으로 형성되어 있을 필요는 없다. 예를 들면, 개질 가스를 각각의 흐르게 하는, 각각 나누어진 길이 방향으로 연장되는 유로가 분할체(70)로서 개질 가스 통류부(36)에 배치되어 있어도 된다.
(11) 상기 실시형태에서는, 금속 지지체(32)에 관통공(38)이 형성되어 있다. 그러나, 예를 들면, 금속 지지체(32)에 개구부를 형성하고, 그 개구부에 기체 투과 부재가 끼워넣어져도 된다. 금속 지지체(32)에는, 전술한 실시형태와 마찬가지의 재료인, 도전성과 기체 불투과성을 가지는 금속이나 금속 산화물이 사용된다. 기체 투과 부재에는, 도전성과 기체 투과성을 가지는 재료가 사용된다. 예를 들면, 다공질 금속이나 금속 산화물이 사용된다. 금속 지지체(32)의 기체 투과부가 끼워넣어진 영역이 기체 통류 허용부(P2)로 되고, 금속 지지체(32)의 개구부를 형성하는 프레임체의 영역이 기체 통류 금지부(P1)로 된다.
(12) 상기한 실시형태의 전기 화학 소자(E)를, 전기 화학 장치로서의 고체 산화물 형태 연료 전지에 이용함으로써, 전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상시키고, 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기한 실시형태의 전기 화학 소자(E)를, 고체 산화물 형태 전해 셀이나, 고체 산화물을 이용한 산소 센서 등에 이용함으로써, 전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
(13) 상기 실시형태에서는, 전극층(44)에서 이용되는 개질 가스의 양을 많게 하여 개질 가스의 이용률을 높이고, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 구성에 대하여 설명하였다.
즉, 상기 실시형태에서는, 전기 화학 반응부(43)를 연료 전지로서 동작시키고, 전극층(44)에 수소 가스가 유통되고, 대극 전극층(48)에 산소 가스가 유통된다. 그러면, 대극 전극층(48)에 있어서 산소 분자(O2)가 전자 e-와 반응하여 산소 이온 O2 -가 생성된다. 그 산소 이온 O2 -가 전해질층(46)을 통해 전극층(44)으로 이동한다. 전극층(44)에 있어서는, 수소 분자 H2가 산소 이온 O2 -와 반응하고, 물 H2O과 전자 e-가 생성된다. 이상의 반응에 의해, 전극층(44)과 대극 전극층(48)과의 사이에 기전력이 발생하여, 발전이 행해진다.
한편, 전기 화학 반응부(43)를 전해 셀로서 동작시키는 경우에는, 전극층(44)에 수증기나 이산화탄소를 함유하는 가스가 유통되고, 전극층(44)과 대극 전극층(48)과의 사이에 전압이 인가된다. 그러면, 전극층(44)에 있어서 전자 e-와 물분자 H2O, 이산화탄소 분자 CO2가 반응하고 수소 분자 H2나 일산화탄소 CO와 산소 이온 O2 -로 된다. 산소 이온 O2 -는 전해질층(46)을 통해 대극 전극층(48)으로 이동한다. 대극 전극층(48)에 있어서 산소 이온 O2 -가 전자를 방출하여 산소 분자 O2로 된다. 이상의 반응에 의해, 물분자 H2O가 수소 H2와 산소 O2로, 이산화탄소 분자 CO2를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 일산화탄소 CO와 산소 O2로 전기 분해된다.
수증기와 이산화탄소 분자 CO2를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 상기 전기 분해에 의해 전기 화학 반응부(43)에 의해 생성한 수소 및 일산화탄소 등으로부터 탄화수소 등의 각종 화합물 등을 합성하는 연료 변환기를 설치할 수 있다. 연료 공급부에 의해, 이 연료 변환기가 생성한 탄화수소 등을 전기 화학 반응부(43)에 유통하거나, 본 시스템·장치 밖으로 인출하여 별도 연료나 화학원료로서 이용할 수 있다.
도 17에 나타낸 에너지 시스템(Z)에서는, 전기 화학 모듈(M)[전기 화학 장치(100)의 일부]는, 복수의 전기 화학 소자(E)와 가스 매니폴드(17) 및 가스 매니폴드(171)를 구비한다. 복수의 전기 화학 소자(E)는 서로 전기적으로 접속된 상태로 병렬하여 배치되고, 전기 화학 소자(E)의 한쪽의 단부(하단부)가 가스 매니폴드(17)에 고정되어 있고, 다른 쪽의 단부(상단부)가 가스 매니폴드(171)에 고정되어 있다. 전기 화학 소자(E)의 한쪽의 단부(하단부)에 있어서, 복수의 분할 유로(A) 및 복수의 분할 유로(B) 중 적어도 어느 하나는 수증기 및 이산화탄소의 공급을 받는다. 그리고, 전기 화학 소자(E)의 전기 화학 반응부(43)에서는 전술한 반응이 생긴다. 그리고, 복수의 분할 유로(A) 및 복수의 분할 유로(B) 중 적어도 어느 하나의 다른 쪽의 단부(상단부)와 일괄하여 연통되고, 출구에 구비된 가스 매니폴드(171)에 의해 전기 화학 반응부(43)에 의해 생성한 수소 및 일산화탄소 등을 효율적으로 수집할 수 있다.
도 17 중의 열교환기(24)를, 연료 변환기(25)에서 일어나는 반응에 의해 생기는 반응열과 물을 열교환시켜 기화하는 열배출 이용부로서 동작시키는 동시에, 도 17 중의 열교환기(23)를, 전기 화학 소자(E)에 의해 생기는 열배출과 수증기 및 이산화탄소를 열교환시켜 예열하는 열배출 이용부로서 동작시키는 구성으로 함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 전력 변환기(93)는, 전기 화학 소자(E)에 전력을 유통시킨다. 이로써, 상기한 바와 같이 전기 화학 소자(E)는 전해 셀로서 작용한다.
따라서, 상기 구성에 의하면, 전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 전기 화학 장치(100) 및 에너지 시스템(Z) 등을 제공할 수 있다.
(14) 상기한 도 10에서는, 판형 지지체는, 금속 지지체(제2 판형체)(32)와 분할체(제1 판형체)(70)에 의해 구성되어 있다. 여기서, 금속 지지체(제2 판형체)(32)와 분할체(제1 판형체)(70)는, 별개의 판형체로 구성되어 있어도 되고, 도 15에 나타낸 바와 같이, 하나의 판형체로 구성되어 있어도 된다. 도 15의 경우, 하나의 판형체가 절곡됨으로써, 금속 지지체(32)와 분할체(70)가 중첩된다. 그리고, 주위 에지부(1a)가 용접 등 됨으로써 금속 지지체(32)와 분할체(70)가 일체화된다. 그리고, 금속 지지체(32)와 분할체(70)는 일련의 이음매가 없는 판형체로 구성되어 있어도 되고, 일련의 판형체가 절곡됨으로써 도 15와 같이 성형되어도 된다.
또한, 후술하고 있지만, 제1 판형체인 분할체(70)가 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다. 마찬가지로, 제2 판형체인 금속 지지체(32)가 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다.
또한, 도 4에서는, 통형 지지체(31)(판형 지지체)는, U자 부재(제1 판형체)(33)와, 금속 지지체(32)(제2 판형체)에 의해 형성되어 있다. 또한, 개질 가스 통류부(내부 유로)(36)에, 개질 가스 통류부(36)를 복수의 분할 유로(A)로 분할하는 분할체(제1 판형체, 복수 유로 형성체)(70)가 구비되어 있다. 여기서, U자 부재(33)(제1 판형체)와, 금속 지지체(32)(제2 판형체)는, 별개의 판형체로 구성되어 있어도 되고, 전술한 바와 같은 하나의 판형체 또는 일련의 판형체로 구성되어 있어도 된다. 또한, U자 부재(33)(제1 판형체)와, 금속 지지체(32)(제2 판형체)와, 분할체(제1 판형체, 복수 유로 형성체)(70)는, 전술한 바와 같은 하나의 판형체 또는 일련의 판형체로 구성되어 있어도 된다.
또한, 제1 판형체인 U자 부재(33)가 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다. 또한, 후술하고 있지만, 제1 판형체인 분할체(70)이, 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다. 또한, 제2 판형체인 금속 지지체(32)가 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다.
(15) 상기한 분할체(70)는, 개질 가스 통류부(36)를 복수의 분할 유로(A)로 분할한다. 이 분할체(70)는, 전기 화학 소자(E)의 하단 ED와 상단 EU와의 사이의 길이 방향, 즉 개질 가스의 통류 방향을 따라 연장되어 있다. 분할체(70)는, 하단 ED와 상단 EU와의 사이에서 일련의 파형의 판형체로 형성되어 있어도 되고, 2 이상의 파형의 판형체로 구성되어 있어도 된다. 분할체(70)는, 예를 들면, 길이 방향을 따른 방향을 따라 분리한 2 이상의 파형의 판형체로 구성되어 있어도 되고, 폭 방향을 따른 방향을 따라 분리한 2 이상의 파형의 판형체로 구성되어 있어도 된다.
또한, 분할체(70)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 동일 형상의 산 및 골이 반복하여 형성됨으로써 파형으로 구성되어 있다. 그러나, 분할체(70)는, 판형 부분을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 분할체(70)는, 판형 부분과 돌출형 부분이 교호적으로 형성됨으로써 구성되어 있어도 된다. 그리고, 돌출형 부분을 개질 가스 등의 유체(流體)가 통류하는 부분으로 할 수 있다.
(16) 상기한 분할체(70)는, 전체면이 파판형으로 형성되어 있을 필요는 없고, 적어도 일부가 파판형으로 형성되어 있으면 된다. 분할체(70)는, 예를 들면, 하단 ED와 상단 EU와의 사이에 있어서, 길이 방향의 일부가 평판형이며, 나머지가 파판형이라도 된다. 또한, 분할체(70)는, 폭 방향의 일부가 평판형이며, 나머지가 파판형이라도 된다.
도 16의 분할체(70)는, 일부가 파판형으로, 나머지가 평판형으로 구성되어 있다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 길이 방향의 하단 ED 측에 평판형 부분 PD가 설치되어 있고, 길이 방향의 상단 EU 측에 평판형 부분 PU이 설치되어 있다. 그리고, 도 16의 분할체(70)는, 평판형 부분 PD와 평판형 부분 PU와의 사이에, 파판형 부분(W)을 가지고 있다. 파판형 부분(W)는, 개질 가스 통류부(36)를 복수의 분할 유로(A)로 분할하고 있다.
도 16의 분할체(70)에 있어서, 하단 ED 측의 평판형 부분 PD에, 평판형 부분 PD로부터 돌출되는 하나 이상의 구조체(130)가 설치되어 있다. 도 16의 경우, 복수의 구조체(130)가 설치되어 있다. 인접하는 구조체(130)의 사이는 오목형으로 되어 있고, 개질 가스가 통과할 수 있는 오목형 유로로서 형성되어 있다. 따라서, 돌출되어 있는 구조체(130)에 의해 개질 가스의 통류가 방해하는 장벽으로 되고, 개질 가스의 통류에는 압력 손실이 생기고 있다. 그리고, 구조체(130)에 의해 압력 손실이 생긴 상태의 개질 가스가, 구조체(130) 사이의 오목형 유로를 통과한다.
이와 같은 구성에 의해, 구조체(130)은, 평판형 부분 PD에 도입된 개질 가스를, 평판형 부분 PD에 일시적으로 저류(貯留)시키면서, 평판형 부분 PD로부터 복수의 분할 유로(A)에 대략 균일하게 공급한다. 따라서, 각 분할 유로(A) 내를 통류하는 개질 가스의 분포, 즉, 개질 가스의 유속, 유량 및 압력 등이 대략 일정하게 된다. 이로써, 전기 화학 반응부에 있어서, 개질 가스가 부족한 부분과, 과잉으로 개질 가스가 통류되는 부분과의 차이를 작게 하고, 전기 화학 소자 전체에 있어서 전기 화학 반응을 행하게 하여, 개질 가스의 이용률을 향상시켜 전기 화학 소자의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 구조체(130)은, 상단 EU 측에 평판형 부분 PU에도 설치할 수 있다.
(17) 도 4, 도 6, 도 8, 도 10, 도 15에서는, 금속 지지체(32)와 분할체(70)가 복수 점에 있어서 접촉되어 있고, 복수의 분할 유로가 완전히 분획되어 있는 예가 나타나 있다. 그러나, 반드시, 금속 지지체(32)와 분할체(70)가 복수 점에 있어서 접촉하고 있지 않고 복수의 유로가 완전히 분획되지 않아도, 각각의 유로를 흐르는 기체의 유속가, 흐름 교차 방향의 임의의 복수 지점에 있어서 대략 일정해지는 정류 작용을 얻을 수 있으면 된다.
(18) 상기한 기체 통류 허용부(P2)에서는, 통형 지지체(31)(판형 지지체)의 금속 지지체(32)(제2 판형체) 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 금속 지지체(32)를 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공(38)이 매트릭스형으로 배치되도록 형성되어 있다(도 9 등).
이와는 상이하게, 기체 통류 허용부(P2)에서는, 금속 지지체(32)를 두께 방향으로 관통하는 상기 복수의 관통공(38) 대신에, 두께 방향으로 대략 직교하는 방향을 따라 연장되는 독립구멍이 형성되어도 된다. 상기 독립구멍은, 연장되는 방향 중 적어도 어느 하나의 지점에 있어서 금속 지지체(32)를 두께 방향으로 관통하고 있다. 예를 들면, 상기 독립구멍은, 각 분할 유로(A) 각각에 대응하여 상기 두께 방향으로 대략 직교하는 방향으로 연장되어 있고, 또한 연장되는 방향 중 적어도 어느 하나의 지점으로 금속 지지체(32)를 관통하여 분할 유로(A)와 연통되어 있다. 그리고, 각 독립구멍은, 인접하는 독립구멍과는 연통되어 있지 않다.
또한, 기체 통류 허용부(P2)에서는, 상기 복수의 관통공(38) 대신에, 금속 지지체(32) 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 3차원[망눈형(網目形)] 연속구멍이 형성되어도 된다. 예를 들면, 상기 연속구멍은, 다공질성의 금속 지지체(32)에 있어서, 각 구멍이 연속하여 연결되어 형성된다. 상기 연속구멍은, 연속구멍 중 어느 하나의 지점에 있어서 금속 지지체(32)를 관통하고 있다.
(19) 도 2에는, 유로의 기체가 유통되는 입구에 가스 매니폴드(17)가 구비된 경우가 나타나 있다. 그러나, 유로의 기체가 유통되는 출구에 가스 매니폴드가 구비되어 있어도 되고, 이 경우, 전기 화학 반응에 의한 배출 가스나 생성 가스를 효율적으로 수집할 수 있다.
(20) 상기 실시형태에 있어서, 전기 화학 장치는, 복수의 전기 화학 소자를 구비하는 전기 화학 모듈(M)을 구비하고 있다. 그러나, 상기 실시형태의 전기 화학 장치는 1개의 전기 화학 소자를 구비하는 구성에도 적용할 수 있다.
그리고, 전술한 실시형태(다른 실시형태를 포함하는, 이하 같음)에서 개시되는 구성은, 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합시켜 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절히 개변(改變; modification)할 수 있다.
17: 가스 매니폴드
31: 통형 지지체
32: 금속 지지체
32a: 상면
32b: 하면
33: U자 부재
36: 개질 가스 통류 부
38: 관통공
43: 전기 화학 반응부
44: 전극층
45: 중간층
46: 전해질층
47: 반응 방지층
48: 대극 전극층
70: 분할체
A: 분할 유로
B: 분할 유로
E: 전기 화학 소자
E3: 전기 화학 소자
ED: 하단
EU: 상단
Ea: 하단
P1: 기체 통류 금지부
P2: 기체 통류 허용부

Claims (16)

  1. 내부에 내부 유로(流路; flowpath)를 가지는 도전성(導電性)의 판형 지지체를 포함하고,
    상기 판형 지지체는, 상기 판형 지지체 중 적어도 일부에 있어서, 상기 판형 지지체의 내측인 상기 내부 유로와 외측에 걸쳐 기체(氣體)를 투과할 수 있는 기체 통류(通流) 허용부와, 상기 기체 통류 허용부의 전부 또는 일부를 피복하는 상태로, 적어도 막형(膜形)의 전극층과 막형의 전해질층과 막형의 대극(對極) 전극층을 기재순으로 구비하는 전기 화학 반응부를 구비하고,
    상기 판형 지지체는, 상기 내부 유로 내에 복수의 유로를 형성하고 있는,
    전기 화학 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판형 지지체는, 제1 판형체와, 적어도 상기 내부 유로에 복수의 유로를 형성하고 있는 제2 판형체를 구비하는, 전기 화학 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 판형 지지체는,
    상기 내부 유로를 형성하는 내부 유로 형성체; 및
    상기 내부 유로에 수용되어 있고, 상기 복수의 유로를 형성하는 복수 유로 형성체;를 구비하는, 전기 화학 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판형 지지체 중 적어도 일부가 파형으로 되도록 구성되어 있는, 전기 화학 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수 유로 형성체 중 적어도 일부가 파형으로 되도록 구성되어 있는, 전기 화학 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판형 지지체는, 적어도 제1 판형체와 제2 판형체에 의해 형성되어 있고,
    상기 제1 판형체가 상기 제2 판형체와 접촉하는 접촉부와, 상기 제1 판형체가 상기 제2 판형체와 접촉하지 않는 비접촉부에 의해 상기 내부 유로 내에 상기 복수의 유로가 형성되어 있는, 전기 화학 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판형 지지체는, 길이 방향으로 연장된 판형으로 형성되어 있고,
    상기 복수의 유로는, 상기 길이 방향을 따라 연장되어 있는, 전기 화학 소자.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 통류 허용부는, 상기 판형 지지체 중 적어도 일부를 관통하는 복수의 관통공이 형성되어 있는 구멍 영역인, 전기 화학 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판형 지지체는, 적어도 제1 판형체와 제2 판형체에 의해 형성되어 있고,
    상기 제1 판형체는 판형 면을 따라, 일체, 또는 분할되어 일련으로 형성되어 있는, 전기 화학 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 유로와 일괄하여 연통되고 상기 기체가 유통(流通)하는 매니폴드(manifold)를 더 포함하는, 전기 화학 소자.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 전기 화학 소자를 포함하고, 하나의 전기 화학 소자와 다른 전기 화학 소자가 전기적으로 접속되는 형태로, 또한 상기 판형 지지체끼리를 대향시키는 형태로, 복수의 상기 전기 화학 소자를 병렬로 배치하여 이루어지는, 전기 화학 모듈.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 전기 화학 소자 또는 제11항에 기재된 복수의 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 적어도 포함하고, 상기 전기 화학 소자 또는 상기 전기 화학 모듈과 상기 연료 변환기 사이에서 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통시키는, 전기 화학 장치.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 전기 화학 소자 또는 제11항에 기재된 복수의 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 소자 또는 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하는 인버터를 적어도 포함하는, 전기 화학 장치.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 전기 화학 소자 또는 제11항에 기재된 복수의 전기 화학 모듈과, 연료 변환기와, 전기 화학 소자 또는 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하거나, 또는 전기 화학 모듈에 전력을 유통시키는 전력 변환기를 포함하는, 전기 화학 장치.
  15. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 전기 화학 소자 또는 제11항에 기재된 복수의 전기 화학 모듈에 대하여 연료 변환기로부터의 환원성 성분 가스를 유통시키거나, 또는 상기 전기 화학 소자 또는 상기 전기 화학 모듈로부터 연료 변환기에 환원성 성분 가스를 유통시키는 연료 공급부를 포함하는, 전기 화학 장치.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 장치; 및
    전기 화학 장치 또는 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 열배출 이용부;
    를 포함하는, 에너지 시스템.
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