WO2020250722A1 - 電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法 - Google Patents

電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2020250722A1
WO2020250722A1 PCT/JP2020/021529 JP2020021529W WO2020250722A1 WO 2020250722 A1 WO2020250722 A1 WO 2020250722A1 JP 2020021529 W JP2020021529 W JP 2020021529W WO 2020250722 A1 WO2020250722 A1 WO 2020250722A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrochemical cell
electrode layer
membrane
gas
unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/021529
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
嘉久和　孝
洋三 喜多
雅俊 中村
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority to JP2021526002A priority Critical patent/JPWO2020250722A1/ja
Priority to CN202080020737.3A priority patent/CN113632270B9/zh
Priority to EP20822667.0A priority patent/EP3985764A4/en
Publication of WO2020250722A1 publication Critical patent/WO2020250722A1/ja
Priority to US17/511,608 priority patent/US20220052352A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H01M8/006—Flat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present disclosure relates to an electrochemical cell unit, an electrochemical cell stack, a method for manufacturing an electrochemical cell unit, and a method for manufacturing an electrochemical cell stack.
  • a fuel electrode layer is arranged on one surface of a membrane-electrode assembly, and an air electrode layer is arranged on the other surface, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel electrode layer and at the same time.
  • a fuel cell that generates power by supplying an oxidant gas to the air electrode layer.
  • a hydrogen generator that applies a voltage to the membrane-electrode assembly to generate hydrogen from high-temperature steam can be exemplified.
  • the fuel cell realizes a high power generation output by stacking (integrating) a plurality of unit cells or units.
  • a unit cell or a stack of units is referred to as a cell unit.
  • the shape of the unit constituting the cell unit is, for example, a flat plate type
  • a load of a predetermined size is applied to the entire cell unit along the stacking direction of the unit.
  • an expensive and large-sized fastening member capable of applying an appropriate load at a high temperature is required.
  • a cylindrical flat plate type cell unit in which a cylindrical type and a flat plate type are mixed has been proposed (for example, Patent Documents 2 and 3).
  • the cylindrical flat plate type cell unit can be stacked (integrated) by inserting a plurality of cylindrical flat plate type units into a long manifold into which fuel gas is introduced. Therefore, the cylindrical flat plate type cell unit can have a simple configuration that does not require application of a fastening load to the stack.
  • the conventional cell unit (cell unit disclosed in Patent Documents 2 and 3) could not sufficiently prevent gas leakage of internal gas and cracking of the unit.
  • the present disclosure proposes an electrochemical cell unit that can prevent gas leakage of internal gas and cracking of the unit with a simple configuration.
  • the electrochemical cell unit of the present disclosure is a flat plate formed by laminating an electrolyte membrane, a first electrode layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a second electrode layer arranged on the other surface.
  • a gas introduction that guides an internal gas to the first electrode layer by surrounding the outer periphery of the first electrode layer together with a second current collecting portion in contact with the second electrode layer of the electrode joint, the interconnector, and the electrolyte membrane. It is provided with an outer peripheral portion made of a metal material that forms a space.
  • one aspect of the electrochemical cell stack according to the present disclosure is arranged on an electrolyte membrane, a first electrode layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and the other surface in order to solve the above-mentioned problems.
  • a flat plate-type membrane-electrode assembly formed by laminating the formed second electrode layer, a first current collector in contact with the first electrode layer of the membrane-electrode assembly, and the first current collector. Together with the interconnector electrically connected to the portion, the second current collecting portion in contact with the second electrode layer of the membrane-electrode assembly, the interconnector and the electrolyte membrane, the outer periphery of the first electrode layer.
  • This disclosure is configured as described above, and has the effect of preventing gas leakage of internal gas and cracking of the unit with a simple configuration.
  • FIG. 1 is a side view showing an example of the configuration of the electrochemical cell unit according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a plan view showing an example of the configuration of the electrochemical cell unit shown in FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of the electrochemical cell unit shown in FIG.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line BB of the unit included in the electrochemical cell unit shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the positional relationship between the outer peripheral portion and the membrane-electrode assembly when the unit included in the electrochemical cell unit of the present disclosure is viewed from the stacking direction.
  • FIG. 6 is a side view showing an example of the configuration of the electrochemical cell unit according to the first modification of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a side view showing an example of the configuration of the electrochemical cell unit according to the first modification of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an example of the configuration of the electrochemical cell unit shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the unit included in the electrochemical cell unit shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape and an internal gas flow of the unit included in the electrochemical cell unit according to the second modification of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape and an internal gas flow of a unit having a width of an inflow portion different from that of the second modification of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of the method for manufacturing the electrochemical cell unit of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing the process performed in step S1 shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the process to be performed in step S2 shown in FIG.
  • the electrochemical cell according to Patent Document 1 has a configuration in which flat plates are stacked and stacked.
  • the space for the fastening shaft and the gas manifold are combined.
  • a mechanism for pressurizing the flat plate type cell in the stacking direction is required, and a devised configuration for conducting the oxidant gas and the fuel gas is required. Therefore, the electrochemical cell according to Patent Document 1 has a problem of versatility and cost reduction.
  • the electrochemical cell according to Patent Documents 2 and 3 collects between a cylindrical flat plate unit made of ceramic having a plurality of gas passages and composed of an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode via a conductive paste agent. It is configured to be connected by electrical members. Then, one end of the plurality of connected cylindrical flat plate units is inserted into a manifold for supplying fuel gas, and the stack is formed by adhesively sealing with a glass sealant or the like.
  • the cell unit according to Patent Documents 2 and 3 does not require a partition plate or the like for preventing the oxide gas from leaking to the fuel electrode side, and can have a simple configuration.
  • Patent Document 2 since elastic support members are arranged at both ends of the stacked cylindrical flat plate type unit, it is possible to absorb the warp of the ceramic without providing an expensive fastening member.
  • the electrochemical cell unit according to Patent Documents 2 and 3 has a configuration in which one end of a plurality of ceramic cylindrical flat plate units is inserted into a fuel gas manifold and adhesively sealed with a glass sealant or the like, as described above. It has become. Therefore, it has been found that it is difficult to make a configuration capable of ensuring sufficient durability against thermal stress caused by displacement of the cylindrical flat plate type unit due to temperature change.
  • the cylindrical flat plate type unit is made of ceramic, its thermal conductivity is low and its heat dissipation is poor compared to metal members. Therefore, if the current density is improved to further improve the performance of the electrochemical cell unit or the size is reduced, there arises a problem that heat is trapped in the electrochemical cell unit. Therefore, it has been found that it is difficult to configure the electrochemical cell unit according to Patent Documents 2 and 3 so as to improve the performance or reduce the size.
  • the present inventor has obtained the following findings as a result of diligent studies on these problems. That is, first, the unit, for example, the fuel electrode (first electrode layer) of a ceramic flat cell (membrane-electrode assembly) is surrounded by a metal outer peripheral portion and contains an internal gas (for example, hydrogen).
  • the configuration is such that a gas introduction space for guiding the fuel gas) is formed. With this configuration, gas leakage of internal gas can be prevented. Further, it is possible to prevent the oxidant gas supplied to the air electrode (second electrode layer) side from leaking to the first electrode layer side.
  • the outer peripheral portion is formed from a thin metal material, even if the membrane-electrode assembly is displaced due to a temperature change, the influence of this displacement can be absorbed by bending the outer peripheral portion, and the membrane-electrode assembly can be absorbed. We found that it was possible to prevent the body from cracking.
  • adjacent units are connected to each other via a current collector, and a plurality of units are fixed to a mounting base via a fixing portion made of an electrically insulating member, so that each unit is short-circuited. I found that I could prevent it from happening. It has also been found that, unlike the conventional flat plate type unit structure having a flat plate type membrane-electrode assembly, a fastening mechanism for pressurization is not required, so that the structure can be simplified. And the present disclosure provides the following aspects.
  • an electrolyte membrane, a first electrode layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a second electrode layer arranged on the other surface are laminated.
  • the second current collector in contact with the second electrode layer of the membrane-electrode assembly, the interconnector and the electrolyte membrane the first electrode layer surrounds the outer periphery of the first electrode layer.
  • a mounting base portion having a fixing portion made of an electrically insulating member for fixing a plurality of units by electrically connecting the connector is provided.
  • each unit is electrically insulated by the mounting base portion and can be prevented from being short-circuited.
  • a fastening mechanism for pressurization is not required, so that the configuration can be simplified.
  • the gas introduction space is formed by the outer peripheral portion made of the interconnector, the electrolyte membrane, and the metal material, it is possible to prevent gas leakage of the internal gas. Furthermore, even when the unit is exposed to a high temperature and the membrane-electrode assembly is displaced, the outer peripheral portion is made of a thin metal material and can be bent, so that the stress caused by this displacement is absorbed. be able to. Therefore, it is possible to prevent the membrane-electrode assembly from cracking in the unit.
  • the electrochemical cell unit according to the first aspect of the present invention has an effect that it is possible to prevent gas leakage of internal gas and cracking of the unit with a simple configuration.
  • the outer peripheral portion includes an inflow portion for allowing the internal gas to flow into the gas introduction space and the membrane-electrode assembly. It has a discharge part that discharges the internal gas used for the electrochemical reaction from the gas introduction space, and the mounting base part communicates with the gas introduction space via the inflow part, and the inside It may be configured to have a gas supply path for supplying gas to the gas introduction space.
  • the mounting base portion is provided with a gas supply path, it is not necessary to provide a gas supply path separately from the mounting base portion. Therefore, the device configuration can be miniaturized.
  • the electrically insulating member may be a ceramic member.
  • the mounting base is composed of a ceramic member, it can have heat resistance and electrical insulation. Therefore, it is possible to prevent a short circuit between a plurality of units fixed by the mounting base portion.
  • the electrochemical cell stack according to the fourth aspect of the present disclosure includes a gas recovery unit that recovers the internal gas discharged from the gas introduction space via the discharge unit. You may prepare.
  • the gas recovery unit since the gas recovery unit is provided, all the internal gas discharged from the gas introduction space through the discharge unit can be recovered from each unit, mixed and made uniform.
  • the concentration of flammable gas such as hydrogen contained in the internal gas decreases. Further, due to the difference in the utilization rate of the internal gas in each unit, the concentration of the combustible gas contained in the internal gas discharged from the discharge portion of each unit is different.
  • a configuration can be assumed in which the discharged internal gas is burned in the combustion unit.
  • the discharged internal gas is burned in the combustion unit.
  • the concentration of the flammable gas contains the internal gas reduced to the extent that the combustion by the combustion part is hindered, Since the internal gas is not burned, a partial misfire occurs.
  • the discharged internal gas can be mixed and the flammable gas concentration can be made uniform by the gas recovery unit. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of a partial misfire.
  • the inflow portion and the discharge portion of the outer peripheral portion are formed in the stacking direction of the units. It may be provided at a position symmetrical with respect to the membrane-electrode assembly when viewed in a plan view.
  • the internal gas can be efficiently supplied to the first electrode layer of the membrane-electrode assembly in the gas introduction space.
  • the position symmetrical with respect to the membrane-electrode assembly may be a position symmetrical with respect to the center of the membrane-electrode assembly.
  • the membrane-electrode assembly may have a round shape.
  • the membrane-electrode assembly since the membrane-electrode assembly has a round shape, the strength can be increased as compared with, for example, a square-shaped membrane-electrode assembly.
  • the opening width dimension of the inflow portion and the discharge portion is the internal gas flow direction. It may be within the range of the projection width of the membrane-electrode assembly in.
  • the shape of the membrane-electrode assembly (for example, round shape) is compared with the configuration in which the opening width dimensions of the inflow portion and the discharge portion are equal to or larger than the projected width of the membrane-electrode assembly in the flow direction of the internal gas.
  • Square type the internal gas can be supplied more uniformly to the first electrode layer of the membrane-electrode assembly.
  • the outer peripheral portion is selected from the group consisting of glass, ceramics, and silver wax. It may be bonded to the electrolyte membrane via any one of them.
  • the electrolyte membrane is bonded to the outer periphery via any one of glass, ceramics, and silver wax, so that the membrane-electrode assembly is displaced.
  • the stress caused by this can be absorbed at the outer periphery.
  • the metal material constituting the outer peripheral portion may be stainless steel.
  • the outer peripheral portion can have sufficient oxidation resistance and strength even when the unit is exposed to a high temperature.
  • the outer peripheral portion can have a coefficient of thermal expansion close to that of the ceramic that mainly constitutes the membrane-electrode assembly. Therefore, it is possible to minimize the generation of thermal stress and the like at the joint portion between the outer peripheral portion and the electrolyte membrane.
  • an electrolyte membrane, a first electrode layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a second electrode layer arranged on the other surface are laminated.
  • the first electrode layer surrounds the outer periphery of the first electrode layer. It is provided with an outer peripheral portion made of a metal material, which forms a gas introduction space for guiding the internal gas.
  • the electrochemical cell unit according to the eleventh aspect of the present disclosure has the outer peripheral portion of the inflow portion for allowing the internal gas to flow into the gas introduction space and the membrane-electrode assembly. It has a discharge unit that discharges the internal gas used for the electrochemical reaction from the gas introduction space.
  • the electrochemical cell unit according to the twelfth aspect of the present disclosure has the inflow portion and the discharge portion of the outer peripheral portion when viewed in a plan view in the stacking direction of the unit. It is provided at a position symmetrical with respect to the electrode assembly.
  • the electrochemical cell unit according to the thirteenth aspect of the present disclosure has a round shape in the membrane-electrode assembly in any one of the tenth to twelfth aspects described above.
  • the electrochemical cell unit according to the fourteenth aspect of the present disclosure has an opening width dimension of the inflow portion and the discharge portion, which is a projection of the membrane-electrode assembly in the flow direction of the internal gas. It is within the width range.
  • the outer peripheral portion is selected from the group consisting of glass, ceramics, and silver wax. It is bonded to the electrolyte membrane via any one of them.
  • the method for producing an electrochemical cell unit includes an electrolyte membrane, a first electrode layer arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a second electrode layer arranged on the other surface.
  • a flat plate-type film-electrode joint formed by laminating the above, a first current collector in contact with the first electrode layer of the film-electrode joint, and electrically connected to the first current collector.
  • the first electrode layer surrounds the outer periphery of the first electrode layer together with the interconnector, the second current collector in contact with the second electrode layer of the film-electrode junction, the interconnector, and the electrolyte membrane.
  • a method for manufacturing an electrochemical cell unit comprising: a mounting base portion having a fixing portion made of an electrically insulating member, which electrically connects an interconnector to fix a plurality of units. Any one of the first paste agents selected from the group consisting of a glass sealant, a ceramic adhesive, and a silver brazing agent is attached to the first joint portion for joining the portion and the surface of the electrolyte film on the second electrode layer side.
  • the outer peripheral portion and the electrolyte membrane are pressure-bonded at the first joint portion, and the second electrode layer and the second current collector portion are pressure-bonded at the second joint portion.
  • the second step of forming the unit is included, and the first step and the second joint portion are both fired at 800 to 900 ° C. to form the unit.
  • the first joint portion and the second joint portion can be fired together, so that the process can be shortened as compared with the method of firing separately. Further, when different paste agents are fired in different steps, it is possible to prevent the problem that the paste agent fired in the previous step is remelted when the different paste agents are fired in the subsequent step.
  • a glass sealant and a ceramic are bonded to a first bonding portion for bonding the outer peripheral portion and the surface of the electrolyte film on the second electrode layer side.
  • a first paste agent selected from the group consisting of an agent and a silver brazing agent is applied, and the surface of the second electrode layer on the side where the second current collector is provided and the second current collector are applied.
  • the outer peripheral portion and the electrolyte membrane are pressure-bonded at the first joint portion
  • both the first joint and the second joint are fired at 800 to 900 ° C. to form the unit.
  • the third step includes a fifth step of firing the joint portion at a temperature lower than the firing temperature of the third step.
  • the firing temperature of the third joint performed in the fifth step is lower than the firing temperature of the first joint and the second joint performed in the third step earlier. Therefore, it is possible to prevent the first paste agent of the first joint portion and the second paste agent of the second joint portion from being remelted when the third joint portion is fired. Therefore, the joint can be reliably performed at the first joint to the third joint.
  • the electrochemical cell stack 100 includes a first electrode layer 31 arranged on one surface of the electrolyte membrane 32 and the electrolyte membrane 32, and a second electrode layer 33 arranged on the other surface. It is a cell unit provided with a flat plate type membrane-electrode assembly 34 formed by laminating the above.
  • a configuration of a solid oxide fuel cell including a membrane-electrode assembly 34 having a flat plate square shape will be described as an example.
  • the electrochemical cell stack 100 is not limited to the solid oxide fuel cell, and is an electrolysis stack that produces hydrogen or the like from high-temperature steam by applying a voltage to the membrane-electrode assembly 34. May be good.
  • the shape of the membrane-electrode assembly 34 of the electrochemical cell stack 100 is not limited to the flat plate square shape, and may be, for example, a flat plate round shape.
  • FIG. 1 is a side view showing an example of the configuration of the electrochemical cell stack 100 according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a plan view showing an example of the configuration of the electrochemical cell stack 100 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of the electrochemical cell stack 100 shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB of the electrochemical cell unit 41 included in the electrochemical cell stack 100 shown in FIG.
  • FIG. 1 shows the flow of the internal gas (for example, fuel gas) in FIG. 1, and in FIG. 2, the flow of the oxidant gas is shown by the solid line arrow.
  • FIG. 3 shows only the cross-sectional shapes of the plurality of connected electrochemical cell units 41 cut out in AA.
  • FIG. 4 shows the cross-sectional shape of any one electrochemical cell unit 41 cut out by BB.
  • the electrochemical cell stack 100 has a configuration including an electrochemical cell unit 41 and a mounting base portion 42. Further, as shown in FIG. 3, the electrochemical cell unit 41 includes, in addition to the above-mentioned membrane-electrode assembly 34, a first current collecting unit 35 in contact with the first electrode layer 31 of the membrane-electrode assembly 34.
  • the first It has an outer peripheral portion 39 made of a metal material, which surrounds the outer periphery of the first electrode layer 31 and forms a gas introduction space 50 for guiding internal gas in the first electrode layer 31.
  • the electrochemical cell unit 41 has a metal interconnector 36 on one side in the stacking direction, and the second electrode layer 33 in contact with the electrolyte film 32 is exposed on the other side.
  • the side circumference of the electrochemical cell unit 41 is surrounded by a metal outer peripheral portion 39, and has a flat plate square shape.
  • the interconnector 36 electrically connected to the first current collector 35 may include, for example, the first current collector 35 and the interconnector 36 being in contact with each other.
  • the membrane-electrode assembly 34 is configured to include an electrolyte membrane 32, a first electrode layer 31, and a second electrode layer 33.
  • the electrolyte membrane 32 included in the membrane-electrode assembly 34 may be made of a YSZ-based ceramic that conducts oxygen ions. Alternatively, it may be composed of yttrium-added barium zirconate (BZY) or ytterbium-added barium zirconate (BZYb) -based ceramic that conducts protons.
  • the membrane-electrode assembly 34 may be an oxide ion type in which oxide ions pass through the inside of the electrolyte membrane 32, or a proton type in which hydrogen ions pass through the inside of the electrolyte membrane 32. You may.
  • the operating temperature is about 600 to 800 ° C.
  • the operating temperature of the solid oxide fuel cell can be lowered to about 600 ° C.
  • the first electrode layer 31 of the membrane-electrode assembly 34 functions as a so-called fuel electrode in a solid oxide fuel cell.
  • the first electrode layer 31 may be composed of a metal such as Pt, Au, Ag, Pb, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe and ceramic. Further, the first electrode layer 31 may be composed of only one of these metals, or may be composed of an alloy containing two or more of these metals.
  • the second electrode layer 33 of the membrane-electrode assembly 34 functions as a so-called air electrode in a solid oxide fuel cell.
  • the second electrode layer 33 is composed of any one selected from the group consisting of lanthanum strontium cobalt composite oxide (LSC), lanthanum strontium cobalt iron composite oxide (LSCF), and lantern strontium iron composite oxide (LSF). can do.
  • fuel gas is supplied to the first electrode layer 31 as an internal gas, and oxidant gas is supplied to the second electrode layer 33 to generate electricity in the membrane-electrode assembly 34.
  • the internal gas may be, for example, a high-temperature gas containing hydrogen generated from the raw material gas by the reforming reaction in the reformer.
  • the raw material gas include hydrocarbon gases such as city gas and propane gas. In addition, natural gas, naphtha, coal gasification gas and the like may be used.
  • the raw material gas may be hydrogen gas or a mixed gas of hydrogen gas and hydrocarbon gas.
  • the raw material gas may be one type of gas, or a plurality of types of gases may be mixed or used in combination. Further, the raw material gas may contain an inert gas such as nitrogen or argon.
  • a vaporized solid or liquid raw material may be used as a raw material gas, or a hydrogen gas generated by reforming a gas other than the above-mentioned hydrocarbon gas may be used as a raw material gas.
  • the oxidation gas is preferably safe and inexpensive air, but may be a mixed gas of oxygen and another gas.
  • the internal gas is supplied to the gas supply path 45 provided in the mounting base 42 via a gas pipe (not shown) arranged outside the electrochemical cell stack 100. Then, it is uniformly distributed to each electrochemical cell unit 41 in the gas supply path 45, and is introduced into the gas introduction space 50 formed in the outer peripheral portion 39 of each electrochemical cell unit 41.
  • the oxidant gas circulates in a direction orthogonal to the flow direction of the internal gas and is supplied to the second electrode layer 33.
  • the shape of the membrane-electrode assembly 34 is not limited to a quadrangular flat plate, and may be a flat plate such as a round shape or a polygonal shape. In that case, the shape of the outer peripheral portion 39 is matched with the shape of the membrane-electrode assembly 34, and the shapes of the first current collector portion 35 and the second current collector portion 40 are changed.
  • the shapes and types of the membrane-electrode assembly 34 incorporated in the plurality of connected electrochemical cell units 41 may all be the same or different. In manufacturing the electrochemical cell stack 100, the cost can be reduced by selecting the optimum membrane-electrode assembly 34.
  • the first current collector 35 and the second current collector 40 collect electricity from the surfaces of the first electrode layer 31 and the second electrode layer 33.
  • the first current collecting unit 35 electrically connects the first electrode layer 31 and the interconnector 36
  • the second current collecting unit 40 has the second electrode layer 33 and the adjacent electrochemical cell unit 41. It is electrically connected to the provided interconnector 36.
  • the first current collector 35 that electrically connects the first electrode layer 31 and the interconnector 36 is mainly composed of nickel steel because the first electrode layer 31 side has a reducing atmosphere.
  • the second current collecting unit 40 that electrically connects the second electrode layer 33 and the interconnector 36 of the adjacent electrochemical cell unit 41 is mainly acid resistant because the second electrode layer 33 side has a high temperature oxidation atmosphere. It is composed of ferritic stainless steel with excellent chemical properties.
  • the first current collector 35 in contact with the interconnector 36 may have a configuration in which a plurality of cuts are formed on a nickel plate. That is, the first current collector 35 has a plurality of current collector base materials of a nickel plate in contact with the interconnector 36, and a plurality of cut and raise parts that rise from the current collector base material toward the first electrode layer 31 by cutting and raising.
  • the unit 60 (see FIG. 9 described later) may be arranged so as to be in contact with the first electrode layer 31.
  • the cut-up portion 60 has elasticity, so that the membrane-electrode assembly is formed. It can follow the displacement of 34.
  • the diffusivity of the internal gas in the first electrode layer 31 can be improved by the plurality of cut-up portions 60.
  • the second electrode layer 33 and the second current collector 40 are joined by a second paste agent 46 having conductivity.
  • the second paste agent 46 is a paste agent in which the electrical resistance at the contact point is sufficiently small even in a high temperature environment.
  • the second current collector 40 is joined to the interconnector 36 of the adjacent electrochemical cell unit 41 at an end different from the end to be joined to the second electrode layer 33 in a state of being electrically connected by welding or caulking. Will be done. In this way, the adjacent electrochemical cell units 41 are connected to each other via the second current collector 40, and are electrically connected to each other.
  • the second current collector 40 may be formed in a pantograph shape (see FIGS. 2 and 3) so as to be deformable.
  • the second current collector 40 is not limited to such a shape, and may have a configuration in which a plurality of cut-up portions are formed as in the first current collector 35.
  • the second current collector 40 may be formed of dimples, metal mesh, metal foam, or the like.
  • the interconnector 36 is a member that electrically connects the electrochemical cell units 41 and collects the electric power generated by the electrochemical cell unit 41.
  • the electric power generated in the electrochemical cell unit 41 is supplied to the interconnector 36 via the first current collector 35 and the second current collector 40.
  • the interconnector 36 can be, for example, a plate material made of ferritic stainless steel and having a thickness of 0.2 to 2.0 mm.
  • current collector members (not shown) having output terminals are provided at both ends of the group 41 of the electrochemical cell units connected in series, that is, at both ends of the electrochemical cell stack 100.
  • the current collecting member may be a plate for collecting current or wiring for collecting current.
  • the outer peripheral portion 39 is joined to the electrolyte membrane 32 of the membrane-electrode assembly 34 at one end by the first paste agent 49 with a glue margin of about 2 to 10 mm, and the other end.
  • the part is welded to the interconnector 36 all around.
  • the case where the outer peripheral portion 39 and the interconnector 36 are joined by metal welding is advantageous because it is superior in durability to the case where the ceramic member is joined by firing.
  • the outer peripheral portion 39 can surround the outer periphery of the first electrode layer 31 and the first current collecting portion 35 together with the interconnector 36 and the electrolyte membrane 32. With this configuration, the electrochemical cell unit 41 can form a gas introduction space 50 for guiding the internal gas in the first electrode layer 31.
  • the outer peripheral portion 39 is made of ferritic stainless steel in this way, the material cost for manufacturing the electrochemical cell unit 41 can be reduced. Further, even when the electrochemical cell unit 41 is exposed to a high temperature during power generation, the outer peripheral portion 39 can have sufficient oxidation resistance and strength. Further, the outer peripheral portion 39 can have a coefficient of thermal expansion close to that of the ceramic mainly constituting the membrane-electrode assembly 34. Therefore, it is possible to minimize the generation of thermal stress and the like inside the joint portion between the outer peripheral portion 39 and the electrolyte membrane 32 and the membrane-electrode assembly 34.
  • the first paste agent 49 may be any one selected from the group consisting of glass, ceramic, and silver wax. Since the outer peripheral portion 39 is bonded to the electrolyte membrane 32 by such a first paste agent 49, the internal gas can be sealed so as not to flow out from the gas introduction space 50 to the outside. Further, even when the electrochemical cell unit 41 is exposed to a high temperature, it can have the strength to withstand the high temperature. Further, even if the membrane-electrode assembly 34 contracts and expands due to a temperature change, the electrolyte membrane 32 is bonded to the outer peripheral portion 39 via any one selected from the group consisting of glass, ceramics, and silver wax. , The stress due to the displacement of the membrane-electrode assembly 34 can be absorbed by the outer peripheral portion 39. Therefore, it is possible to prevent the membrane-electrode assembly 34 from cracking or peeling.
  • the inflow portion 37 is provided at the outer peripheral portion 39 portion arranged at the end of the side to be attached to the mounting base portion 42 of the electrochemical cell unit 41, and is opposite to the side where the inflow portion 37 is provided.
  • a discharge portion 38 is provided at an outer peripheral portion 39 portion arranged at an end portion of the side electrochemical cell unit 41.
  • the gas supply path 45 and the gas introduction space 50 provided in the mounting base portion 42 are configured to communicate with each other via the inflow portion 37.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the positional relationship between the outer peripheral portion 39 and the membrane-electrode assembly 34 when the electrochemical cell unit 41 included in the electrochemical cell stack 100 of the present disclosure is viewed from the stacking direction.
  • the inflow portion 37 and the discharge portion 38 are provided in the outer peripheral portion 39 in the positional relationship as shown in FIG. 5, the internal gas is efficiently supplied to the first electrode layer 31 of the membrane-electrode assembly 34 in the gas introduction space 50. Can be supplied.
  • the opening width dimensions of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 when the electrochemical cell unit 41 is viewed in a plan view in the stacking direction are within the range of the projection width of the membrane-electrode assembly 34 in the internal gas flow direction. It is set to be. Therefore, as described above, the internal gas is uniformly supplied to the first electrode layer 31 regardless of whether the membrane-electrode assembly 34 has a flat plate square shape or a flat plate round shape. be able to.
  • the relationship between the opening width dimension of each of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 and the projected width of the membrane-electrode assembly 34 in the flow direction of the internal gas will be described in detail later.
  • the outer peripheral portion 39 surrounds the outer periphery of the first electrode layer 31 together with the interconnector 36 and the electrolyte film 32 to form the gas introduction space 50, so that the internal gas leaks from other than the inflow portion 37 and the discharge portion 38. It is possible to prevent gas leakage of the internal gas. Further, even if the gas leaks from the gas introduction space 50, the gas leakage portion can be easily identified and repaired as compared with the configuration in which the gas introduction space is formed by ceramic.
  • the outer peripheral portion 39 is made of a thin metal material and can be bent, so that this displacement Can absorb the stress caused by. Therefore, it is possible to prevent the membrane-electrode assembly 34 from cracking in the electrochemical cell unit 41.
  • the mounting base portion 42 is an interface between the second current collector 40 of one electrochemical cell unit 41 and the other electrochemical cell unit 41 between adjacent electrochemical cell units 41. It has a fixing portion 43 made of an electrically insulating member that fixes a plurality of electrochemical cell units 41 in a state of being electrically connected to the connector 36. Further, the mounting base portion 42 communicates with the gas introduction space 50 formed by the outer peripheral portion 39, and has a gas supply path 45 for supplying an internal gas (for example, fuel gas) to the gas introduction space 50.
  • an internal gas for example, fuel gas
  • a plurality of electrochemical cell units 41 are arranged side by side and connected in the stacking direction, and one end of each electrochemical cell unit 41 is inserted into a fixed portion 43 of a mounting base portion 42 that supplies internal gas. It is a configuration to fix.
  • the fixing portion 43 includes a slit-shaped insertion portion 43a formed in the mounting base portion 42 and a seal joining portion 43b for joining the end portion of the electrochemical cell unit 41 inserted in the insertion portion 43a to the mounting base portion 42. Consists of.
  • the insertion portion 43a is a slit-shaped gap having a shape corresponding to the AA cross-sectional shape of the electrochemical cell unit 41, and the end portion of the electrochemical cell unit 41 is inserted into this gap to insert the electrochemical cell.
  • the contact surface between the unit 41 and the mounting base portion 42 is fixed by the seal joint portion 43b.
  • At least the surface of the insertion portion 43a in contact with the electrochemical cell unit 41 and the seal joint portion 43b are composed of members having electrical insulation.
  • the mounting base portion 42 is in direct contact with each electrochemical cell unit 41 having a different voltage, electrical insulation is required.
  • at least the surface of the insertion portion 43a in contact with the electrochemical cell unit 41 is made of an insulating member such as ceramic.
  • a glass sealant or a ceramic adhesive capable of achieving both electrical insulation and gas sealability between the mounting base portion 42 and the electrochemical cell unit 41 can be exemplified.
  • at least the surface of the insertion portion 43a in contact with the electrochemical cell unit 41 is composed of an electrically insulating member such as ceramic.
  • the entire mounting base portion 42 may be composed of an electrically insulating member.
  • the internal gas flowing through the gas supply path 45 of the mounting base portion 42 is electrochemically obtained from the mounting base portion 42 via the internal gas inflow portion 37 provided in the outer peripheral portion 39 of the electrochemical cell unit 41. It is supplied to the cell unit 41.
  • the internal gas passes through the gas introduction space 50 of the electrochemical cell unit 41, hydrogen contained in the internal gas is consumed by the electrochemical reaction on the surface of the first electrode layer 31.
  • the internal gas in which hydrogen is consumed is discharged to the outside of the electrochemical cell unit 41 via the discharge unit 38.
  • the number of electrochemical cell units 41 to be fixedly connected to the mounting base 42 can be changed according to the required amount of power generation. That is, the electrochemical cell units 41 may be arranged in one row as shown in FIGS. 1 and 2, or may be arranged in two or more rows.
  • the number of the electrochemical cell units 41 fixed and connected on the mounting base 42 is the amount of power generation required for a solid oxide fuel cell or the like, the electrode area of the membrane-electrode assembly 34, and the current density. It changes depending on such factors. For example, in the case of a power generation device in which a solid oxide fuel cell is used for general household use, the number of connected electrochemical cell units 41 and the electrode layer of the electrochemical cell unit 41 are obtained so that about DC780 W (about AC700 W) can be obtained. The area is determined.
  • the electrochemical cell unit 41 is, for example, 15 to 40. It is configured by connecting the pieces. Since the electromotive voltage of each electrochemical cell unit 41 is about 0.8V, it is possible to obtain an electromotive voltage of about 12 to 32V and a large DC current of 20 to 30A by connecting each electrochemical cell unit 41 in series. it can. In the case of products for large-scale equipment, the number of connected electrochemical cell units 41 may be further increased.
  • the internal gas supplied to each electrochemical cell unit 41 through the gas supply path 45 of the mounting base portion 42 passes through the inflow portion 37 of the outer peripheral portion 39 to the gas introduction space of each electrochemical cell unit 41. Guided by 50, it is used for the electrochemical reaction of the membrane-electrode assembly 34.
  • the internal gas after being used for the electrochemical reaction is discharged from the outer peripheral portion 39 provided at the end of each electrochemical cell unit 41 on the side opposite to the side fixed to the mounting base portion 42. It is ejected to the outside as off-gas via.
  • the oxidant gas is supplied to the second electrode layer 33 of the electrochemical cell unit 41, and after being used for the electrochemical reaction of the membrane-electrode assembly 34, the oxidant gas is discharged as off gas.
  • the off gas of the internal gas discharged through the discharge unit 38 is mixed with the off gas of the oxidant gas, burned by the combustion unit (not shown), and converted into combustion heat.
  • three round holes of about ⁇ 1.5 mm are formed in the electrochemical cell unit 41 as the internal gas discharge portion 38.
  • the opening shape of the discharge portion 38 is preferably a round hole, but the quantity, hole diameter, and hole pitch are not limited, and if it is the optimum configuration that can suppress flame blowing and misfire, etc. Good.
  • the mounting base portion 42 had a configuration having a fixed portion 43 and a gas supply path 45, but when the gas supply path 45 is separately provided, the configuration may include only the fixed portion 43. Good.
  • the off-gas after power generation is diffused and burned directly above the discharge unit 38. Since the heat of combustion heats the outer peripheral portion 39 made of metal, it does not directly heat the membrane-electrode assembly 34, which is important for power generation, and can contribute to the improvement of the durability performance of the electrochemical cell unit 41.
  • the membrane-electrode assembly 34 By the way, in the membrane-electrode assembly 34, the difference in the thermal property values between the three layers including the coefficient of thermal expansion, the residual stress at the time of sintering, and the deformation at the time of reduction in the first electrode layer 31 (fuel electrode layer). Due to the influence of stress or the like, a so-called mortar-shaped non-uniform displacement in which the central portion of the membrane-electrode assembly 34 is convex, or warpage or distortion between the members occurs.
  • the electrochemical cell unit 41 according to the embodiment has a configuration in which the membrane-electrode assembly 34 is fixed by a metal outer peripheral portion 39, and elastic first current collectors 35 and second current collectors 40. ..
  • the deformation caused by the difference in the coefficient of thermal expansion or the like can be dispersed and absorbed by the outer peripheral portion 39, the first current collector 35, and the second current collector 40. it can. Therefore, the electrochemical cell unit 41 according to the embodiment protects the membrane-electrode assembly 34 and causes stress on the adhesive surface of the membrane-electrode assembly 34 due to deformation caused by a difference in thermal expansion coefficient or the like. Can be reduced and the durability performance can be improved.
  • the general-purpose flat plate type membrane-electrode assembly 34 can be used as described above, it relates to Patent Documents 2 and 3 using a cylindrical flat plate type unit having a special shape. It can be applied more than the conventional electrochemical cell unit and can reduce the cost.
  • FIG. 6 is a side view showing an example of the configuration of the electrochemical cell stack 100 according to the first modification of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an example of the configuration of the electrochemical cell stack 100 shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the electrochemical cell unit 41 included in the electrochemical cell stack 100 shown in FIG.
  • the flow direction of the internal gas is indicated by a broken line arrow.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional shape when the electrochemical cell unit 41 is cut out with a BB cross section similar to that of FIG.
  • the electrochemical cell stack 100 according to the first modification has a configuration further including a gas recovery unit 44 in the configuration of the electrochemical cell stack 100 according to the embodiment. Since the electrochemical cell stack 100 according to the first modification has the same configuration as the electrochemical cell stack 100 according to the embodiment, except that the gas recovery unit 44 is provided, the same member may be used. The same reference numerals are given and the description thereof will be omitted.
  • the gas recovery unit 44 recovers the internal gas discharged from the gas introduction space 50 via the discharge unit 38 formed on the outer peripheral portion 39 of the electrochemical cell unit 41. That is, the gas recovery unit 44 is arranged at a position facing the mounting base portion 42, and is on the opposite side of one end of the electrochemical cell unit 41 fixed to the mounting base portion 42. Fix the end of.
  • the gas recovery unit 44 has a discharge side fixing unit 48 made of an electrically insulating member for fixing the other end of the electrochemical cell unit 41.
  • the discharge side fixing portion 48 has the same configuration as the fixing portion 43. That is, the discharge side fixing portion 48 is a seal joint portion 48b that joins the slit-shaped insertion portion 48a formed in the gas recovery portion 44 and the electrochemical cell unit 41 portion inserted in the insertion portion 48a to the gas recovery portion 44. Consists of. At least the surface of the insertion portion 48a in contact with the electrochemical cell unit 41 and the seal joint portion 48b are composed of members having electrical insulation.
  • seal joint portion 48b examples include a glass sealant or a ceramic adhesive capable of achieving both electrical insulation and gas sealability between the gas recovery portion 44 and the electrochemical cell unit 41.
  • at least the surface of the insertion portion 48a in contact with the electrochemical cell unit 41 of the structure of the gas recovery unit 44 is composed of an electrically insulating member such as ceramic.
  • the entire gas recovery unit 44 may be composed of an electrically insulating member.
  • the gas recovery unit 44 communicates with the gas introduction space 50 formed by the outer peripheral portion 39 via the discharge unit 38, and discharges the off gas of the internal gas discharged from the gas introduction space 50 to the outside. It has a path 47. Then, the off-gas of the internal gas discharged from the gas introduction space 50 through the discharge unit 38 flows through the gas discharge path 47 and is guided to the outside of the electrochemical cell stack 100.
  • the electrochemical cell stack 100 has a so-called double-sided beam support structure in which the electrochemical cell unit 41 is supported by both the mounting base portion 42 and the gas recovery portion 44. Become. That is, the mounting base portion 42 is erected on one side, and the gas recovery portion 44 is erected on the other side. Then, the structure may be such that a plurality of electrochemical cell units 41 are arranged so as to be horizontally laid between the two.
  • the electrochemical cell unit 41 can be supported by the double-sided beam because the outer peripheral portion 39 and the interconnector 36 of the electrochemical cell unit 41 are made of metal. This is because the displacement of the membrane-electrode assembly 34 due to the temperature change is absorbed and cracks do not occur. Further, by adopting the double-sided beam support structure, both ends of the electrochemical cell unit 41 can be fixed and supported, so that the electrochemical cell stack 100 according to the first modification has a robust structure.
  • the oxidant gas is circulated between the electrochemical cell units 41, and the electrochemical cell units 41 are attached in a long length along the stacking direction.
  • the internal gas is supplied from one end of the base portion 42, and the off gas of the internal gas is discharged from one end of the gas recovery portion 44 having a long length along the stacking direction.
  • the off gas of the internal gas discharged from the gas recovery unit 44 can be guided to an arbitrary place by, for example, piping. Therefore, it is not necessary to provide a combustion unit directly above the discharge unit 38 of the electrochemical cell unit 41, and the degree of freedom in arranging the electrochemical cell stack 100 and the design of the solid oxide fuel cell provided with the electrochemical cell stack 100 The degree of freedom can be increased.
  • the internal gas in which a part of the contained hydrogen is consumed by the electrochemical reaction of the membrane-electrode assembly 34 is It is discharged from the electrochemical cell unit 41 as off-gas via the discharge unit 38.
  • the off-gas discharged at this time is dilute hydrogen gas in which non-combustible components such as water vapor and carbon dioxide account for the majority.
  • the fuel utilization rate is set higher than the fuel utilization rate set in normal power generation, the hydrogen concentration contained in the off-gas of the internal gas drops to near the combustion limit.
  • the off gas of the internal gas is burned as it is directly above the discharge unit 38, and the combustion heat is used as a heat source for heating the reformer or the like. Stable heating becomes difficult. Therefore, when the off-gas combustion heat of the internal gas is used as a heat source for heating the reformer or the like, the system may become unstable.
  • the other end of the plurality of electrochemical cell units 41 is joined to the gas recovery unit 44, and the off gas of the internal gas discharged through the discharge unit 38 is gas. It can be collected in the recovery unit 44, homogenized, and supplied to the combustor (not shown). Therefore, stable combustion can be maintained even when the fuel utilization rate is set high.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape and an internal gas flow of the electrochemical cell unit 41 included in the electrochemical cell stack 100 according to the second modification of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional shape and an internal gas flow of an electrochemical cell unit 41 having a width of an inflow portion 37 different from that of the second modification of the present disclosure.
  • FIG. 9 and 10 show the cross-sectional shape when the electrochemical cell unit 41 is cut out at the position CC shown in FIG. 1, and the gas flow when the internal gas is supplied to the electrochemical cell unit 41 by arrows.
  • the numerical simulation results of are shown schematically.
  • FIG. 9 shows a case where the opening width dimension of each of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 is smaller than the width (that is, the projection width) of the membrane-electrode assembly 34.
  • FIG. 10 shows a case where the opening width dimension of each of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 is larger than the width (that is, the projection width) of the membrane-electrode assembly 34, unlike the second modification.
  • FIGS. 9 and 10 a plurality of square members are arranged and arranged in the membrane-electrode assembly 34.
  • the cut-up portions 60 are arranged at equal intervals and have the same shape, but this is not the case.
  • the shape of the membrane-electrode assembly 34 which had a flat plate square shape, was examined as a flat plate round shape.
  • the shape of the membrane-electrode assembly 34 is a flat plate round shape, the strength can be increased as compared with the flat plate square shape membrane-electrode assembly 34.
  • the membrane-electrode assembly 34 has a flat plate round shape, assuming that the internal gas flows uniformly straight from the inflow portion 37 to the discharge portion 38, the closer to the center of the circle, the more on the first electrode layer 31. The distance to circulate is increased.
  • a cut-up portion 60 is provided in the first current collecting portion 35 to diffuse the internal gas in the gas introduction space 50.
  • the opening width dimensions of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 when the electrochemical cell unit 41 is viewed in a plan view in the stacking direction are set. , It was set to be within the range of the projected width of the membrane-electrode assembly 34 in the flow direction of the internal gas. In other words, when the electrochemical cell unit 41 is viewed in a plan view in the stacking direction, the opening width of each of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 is within the width dimension of the membrane-electrode assembly 34 that is perpendicular to the flow direction of the internal gas. It was set to be.
  • the flow direction of the internal gas is a direction from the inflow portion 37 toward the discharge portion 38.
  • the opening width dimensions of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 are the membrane-electrode assembly in the internal gas flow direction. It was set to be larger than the projection width range of 34.
  • the flow rate of the internal gas flowing along the outer periphery of the membrane-electrode assembly 34 becomes large, and the internal gas cannot be efficiently supplied to the first electrode layer 31. It was. Specifically, according to the results of simulation analysis, the flow rate of the internal gas flowing through the circular portion (first electrode layer 31) is 81% of the total flow rate, whereas the flow rate of the circular portion (first electrode layer 31) is 81%. The flow rate of the internal gas flowing through the outer circumference was 19% of the total flow rate.
  • the internal gas passes not only in the first electrode layer 31 where the flow rate is most required, but also in the outer periphery of the first electrode layer 31 having a small resistance, and is not uniformly supplied in the first electrode layer 31. .. Therefore, it becomes impossible to carry out an efficient electrochemical reaction. In particular, if the fuel utilization rate is set higher than that during normal power generation, hydrogen withering will occur, causing a failure.
  • the result of the simulation analysis shows that the circular portion
  • the flow rate of the internal gas flowing through (first electrode layer 31) was 99.2% of the total flow rate, whereas the flow rate of the internal gas flowing around the outer periphery of the circular portion was 0.8% of the total flow rate. ..
  • the opening width dimension of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 was within the projection width of the membrane-electrode assembly 34 in the flow direction of the internal gas, the internal gas is made uniform in the first electrode layer 31. It turned out that it can be supplied efficiently.
  • each of the inflow portion 37 and the discharge portion 38 is within a range of less than half of the projected width of the membrane-electrode assembly 34 in the flow direction of the internal gas, and the internal gas at the required flow rate is introduced into the gas introduction space 50. It was found that it is preferable to have a size that can be distributed in.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of the manufacturing method of the electrochemical cell stack 100 of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a diagram schematically showing the process performed in step S1 shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing the process to be performed in step S2 shown in FIG.
  • the first paste agent 49 is applied to the first joint portion 70 that joins the outer peripheral portion 39 and the surface of the electrolyte membrane 32 on the side of the second electrode layer 33, and the first paste agent 49 is applied.
  • a second paste agent 46 having conductivity is applied to the second joint portion 71 that joins the surface of the two electrode layer 33 on the side where the second current collector portion 40 is provided and the second current collector portion 40 (step S1). ).
  • the first paste agent 49 is any one paste agent selected from the group consisting of a glass sealant, a ceramic adhesive, and a silver brazing agent.
  • the outer peripheral portion 39 and the electrolyte membrane 32 are pressure-bonded at the first junction 70, and the second electrode layer 33 and the second current collector are joined at the second junction 71.
  • 40 is pressure-bonded (step S2).
  • the load for joining the outer peripheral portion 39 to the electrolyte membrane 32 in the first joining portion 70 is the outer peripheral portion in order to secure the region forming the cut-up portion 60 of the second current collecting portion 40. It is applied via the spacer 80 provided between the 39 and the second current collector 40.
  • a load for joining the second electrode layer 33 to the second current collector 40 in the second joint 71 is applied to the cut-up portion 60 of the second current collector 40.
  • both the first joint portion 70 and the second joint portion 71 are fired at 800 to 900 ° C. to form the electrochemical cell unit 41. Form (step S3).
  • step S3 since the first joint portion 70 and the second joint portion 71 can be fired together, the process can be shortened as compared with the method of firing separately.
  • the operating temperature of the solid oxide fuel cell is about 600 to 800 ° C. Therefore, it is preferable that the firing temperature in step S3 is higher than the operating temperature of the solid oxide fuel cell and is equal to or lower than the temperature that the stainless steel members constituting the interconnector 36 and the outer peripheral portion 39 can withstand. That is, it is preferable to bake in a furnace having a temperature range of 800 to 900 ° C. (duration of about 20 minutes to 1 hour).
  • the formed electrochemical cell unit 41 is joined to the fixed portion 43 (third joint portion) of the mounting base portion 42. That is, a glass sealant or a ceramic adhesive is applied to the fixing portion 43 (third joint portion) that joins the electrochemical cell unit 41 and the mounting base portion 42 (step S4).
  • the fixed portion 43 (third joint portion) is fired at a temperature lower than the firing temperature (800 to 900 ° C.) in step S3 (step S5).
  • the firing temperature in step S5 can be, for example, 100 to 200 ° C.
  • the firing temperature at the fixed portion 43 (third joint portion) performed in step S5 is lower than the firing temperature of the first joint portion 70 and the second joint portion 71 performed earlier in step S3. It is possible to prevent the first paste agent of the first joint portion 70 and the second paste agent of the second joint portion from being remelted when the fixing portion 43 (third joint portion) is fired. Therefore, the joint can be reliably performed at the first joint to the third joint.
  • step S4 the glass sealant or the ceramic adhesive is applied to the fixing portion 43 (third joint portion) and the discharge side fixing portion 48.
  • step S5 the fixing portion 43 (third joint portion) and the discharge side fixing portion 48 are placed at a temperature lower than the firing temperature (for example, 800 to 900 ° C.) of step S3 (for example, 100 to 200 ° C.). Bake together.
  • the electrochemical cell unit of the present disclosure can be widely applied to an electrochemical cell unit composed of a plurality of electrochemical cells such as a solid oxide type electrolytic cell.
  • Electrochemical cell unit 31 1st electrode layer 32 Electrolyte film 33 2nd electrode layer 34 Electrode junction 35 1st current collector 36 Interconnector 37 Inflow part 38 Discharge part 39 Outer circumference 40 2nd current collector 41 Electrochemical cell unit 42 Mounting base Part 43 Fixed part 43a Insert part 43b Seal joint part 44 Gas recovery part 45 Gas supply path 46 Second paste agent 47 Gas discharge route 48 Discharge side fixed part 48a Insert part 48b Seal joint part 49 First paste agent 50 Gas introduction space 60 Cut-up part 70 1st joint 71 2nd joint 80 Spacer 100 Electrochemistry

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本開示の電気化学セルユニットは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、備える。

Description

電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法
　本開示は、電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法に関するものである。
　電気化学セルユニットとして、例えば、膜-電極接合体の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置し、燃料極層へ、水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、空気極層へ、酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池が例示できる。或いは、膜-電極接合体に電圧を印加して高温水蒸気から水素を生成する水素生成装置も例示できる。
　ところで燃料電池では、単位セル、或いは単位セルに集電極等を組み付けたユニット１つでは高い発電出力が得られない。このため、燃料電池は、複数の単位セル、或いはユニットを積層させてスタック化（集積化）することにより高い発電出力を実現している。以下では、単位セル或いはユニットをスタック化したものをセルユニットと称する。
　セルユニットを構成するユニットの形状が、例えば、平板型の場合、ユニットの積層方向に沿って所定の大きさの荷重をセルユニット全体に加える。これにより、各ユニット間でのガスシール性を維持するとともに、ユニット内での電極層と集電部との電気的接触抵抗の低減を図ることができる（例えば、特許文献１）。ところでこのような構成を実現するためには、高温下で適切な荷重を印加することができる、高価で大型の締結部材が必要となる。
　そこで、円筒型と平板型を混合させた円筒平板型セルユニットが提案されている（例えば、特許文献２および３）。円筒平板型セルユニットは、燃料ガスを導入する長尺形状のマニホールドに複数の円筒平板型ユニットを差し込んでスタック化（集積化）することができる。このため、円筒平板型セルユニットは、スタックへの締結荷重の印加が不必要となる簡素な構成とすることができる。
特許第５３６８３３３号公報 特許第５１１９２５７号公報 特許第４０１８９２２号公報
　しかしながら、従来のセルユニット（特許文献２、３に開示されたセルユニット）では、内部ガスのガス漏れおよびユニットの割れを十分に防ぐことができなかった。
　本開示は、一例として、簡素な構成で内部ガスのガス漏れおよびユニットの割れを防ぐことができる、電気化学セルユニットを提案する。
　本開示の電気化学セルユニットは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、備える。
　また、本開示に係る電気化学セルスタックの一態様は、上記した課題を解決するために、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、を有したユニットと、隣接する前記ユニット間において一方の前記ユニットの前記第２集電部と他方の前記ユニットの前記インターコネクタとを電気的に接続させて複数のユニットを固定する、電気絶縁性部材からなる固定部を有した取付け基台部と、を備える。
　本開示は以上に説明したように構成され、簡素な構成で内部ガスのガス漏れおよびユニットの割れを防ぐことができるという効果を奏する。
図１は、本開示の実施の形態に係る電気化学セルユニットの構成の一例を示す側面図である。 図２は、図１に示す電気化学セルユニットの構成の一例を示す平面図である。 図３は、図１に示す電気化学セルユニットのＡ－Ａ断面図である。 図４は、図２に示す電気化学セルユニットが備えるユニットのＢ－Ｂ断面図である。 図５は、本開示の電気化学セルユニットが備えるユニットを積層方向からみたときの外周部と膜－電極接合体との位置関係を概略的に示す図である。 図６は、本開示の実施の形態の変形例１に係る電気化学セルユニットの構成の一例を示す側面図である。 図７は、図６に示す電気化学セルユニットの構成の一例を示す斜視図である。 図８は、図６に示す電気化学セルユニットが有するユニットの断面図である。 図９は、本開示の変形例２に係る電気化学セルユニットが備えるユニットの断面形状と内部ガスの流れを模式的に示す図である。 図１０は、本開示の変形例２とは流入部の幅が異なるユニットの断面形状と内部ガスの流れを模式的に示す図である。 図１１は、本開示の電気化学セルユニットの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、図１１に示すステップＳ１で実施する処理を模式的に示す図である。 図１３は、図１１に示すステップＳ２で実施する処理を模式的に示す図である。
　（本発明の一形態を得るに至った経緯）
　本発明者らは、特許文献１～３に開示された電気化学セルユニットについて鋭意検討した。まず、特許文献１に係る電気化学セルでは、平板型セルを積層しスタック化した構成となっている。ここで、平板型セルの積層方向に沿って酸化剤ガスと燃料ガスとを導通させるために、締結シャフト用空間とガスマニホールドとを兼用させた構成となっている。このように、特許文献１に係る電気化学セルユニットでは、平板型セルを積層方向に加圧する機構が必要となるとともに、酸化剤ガスおよび燃料ガスを導通させるための工夫した構成が必要となる。このため、特許文献１に係る電気化学セルは、汎用性および低コスト化に課題があるという問題を見出した。
　一方、特許文献２および３に係る電気化学セルは、複数のガス通路を有するセラミック製の、内側電極、固体電解質、および外側電極からなる円筒平板型ユニット間を、導電性ペースト剤を介して集電部材で連結した構成となっている。そして、連結された複数の円筒平板型ユニットの一端を、燃料ガスを供給するマニホールドへ挿入し、ガラスシール剤等で接着封印することでスタック化する。
　特許文献２および３に係るセルユニットでは、酸化ガスが燃料極側に漏れることを防ぐための仕切り板等が不要となり簡素な構成とすることができる。特に特許文献２では、スタック化した円筒平板型ユニットの両端に弾性を有する支持部材を配置しているため、高価な締結部材を備えることなくセラミックの反り等を吸収することができる。
　しかしながら、特許文献２および３に係る電気化学セルユニットでは、複数のガス通路を要するセラミック製内側電極と固体電解質と外側電極とからなる特殊な形状の円筒平板型ユニットを製造する必要がある。このため、汎用的な平板型の膜－電極接合体を用いることができない。このように、特許文献２および３に係る電気化学セルユニットは汎用的な平板型の膜－電極接合体を適用した応用展開が困難であるという課題を見出した。また、応用展開が困難であり、特殊な形状の円筒平板型ユニットを用いる必要がある点からコスト低減にも課題を有していることを見出した。
　また、特許文献２および３に係る電気化学セルユニットは、上記したように、セラミック製の複数の円筒平板型ユニットの一端を、燃料ガスマニホールドへ挿入し、ガラスシール剤等で接着封印する構成となっている。このため、温度変化に起因する円筒平板型ユニットの変位により生じる熱応力に対して、十分な耐久性を確保できる構成とすることが困難であることを見出した。
　さらに円筒平板型ユニットはセラミック製のため、金属製部材等と比較して熱伝導率が低く、放熱性が悪い。このため、電流密度を向上させて電気化学セルユニットの更なる性能向上を図ったり、小型化を図ったりすると電気化学セルユニットにおいて熱がこもってしまうという問題が生じる。それゆえ、特許文献２および３に係る電気化学セルユニットは、性能向上または小型化を図るように構成することが困難であるということを見出した。
　そこで、本発明者はこれらの問題点に関し、鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、まず、ユニットを、例えば、セラミック製の平板型セル（膜－電極接合体）の燃料極（第１電極層）を、金属製の外周部で囲って内部ガス（例えば、水素を含有する燃料ガス）を導くガス導入空間を形成した構成とする。この構成により内部ガスのガス漏れを防止することができる。さらに空気極（第２電極層）側に供給される酸化剤ガスが第１電極層側に漏れ出ることを防ぐことができる。また、薄い金属材から外周部が形成されるため、温度変化により膜－電極接合体が変位したとしても、外周部が撓むことでこの変位の影響を吸収することができ、膜－電極接合体の割れを防止することができることを見出した。
　また、隣接するユニット同士を、集電部を介して連結し、複数のユニットを、電気絶縁性部材からなる固定部を介して取付け基台部に固定する構成とすることで、各ユニットがショートすることを防ぐことができることを見出した。また、平板型の膜－電極接合体を有した、従来の平板型のユニット構造のように、加圧用の締結機構が不要であるため簡素な構成とすることができることも見出した。そして、本開示では以下に示す態様を提供する。
　本開示の第１の態様に係る電気化学セルスタックは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、を有したユニットと、隣接する前記ユニット間において一方の前記ユニットの前記第２集電部と他方の前記ユニットの前記インターコネクタとを電気的に接続させて複数のユニットを固定する、電気絶縁性部材からなる固定部を有した取付け基台部と、を備える。
　上記構成によると、電気絶縁性部材から構成された取付け基台部によって複数のユニットが固定されている。このため、各ユニットはこの取付け基台部によって電気的に絶縁されておりショートすることを防ぐことができる。また、平板型の膜－電極接合体を有した、従来の平板型のユニット構造のように、加圧用の締結機構が不要であるため簡素な構成とすることができる。
　また、ユニットにおいて、インターコネクタ、電解質膜、および金属材からなる外周部によりガス導入空間を形成するため、内部ガスのガス漏れを防止することができる。さらにまた、ユニットが高温に晒されて膜－電極接合体が変位する場合であっても、外周部は薄い金属材から構成されており撓むことができるため、この変位により生じるストレスを吸収することができる。このため、ユニットにおいて膜－電極接合体の割れが生じることを防止することができる。
　よって、本発明の第１の態様に係る電気化学セルユニットは、簡素な構成で内部ガスのガス漏れおよびユニットの割れを防ぐことができるという効果を奏する。
　本開示の第２の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第１の態様において、前記外周部は、前記内部ガスを前記ガス導入空間に流入させる流入部と、前記膜－電極接合体の電気化学反応に利用された内部ガスを、前記ガス導入空間から排出させる排出部とを有し、前記取付け基台部は、前記流入部を介して前記ガス導入空間と連通しており、前記内部ガスを前記ガス導入空間に供給するガス供給路を有する構成であってもよい。
　上記構成によると、取付け基台部がガス供給路を備えるため、取付け基台部とは別にガス供給路を設ける必要がない。このため、装置構成を小型化することができる。
　本開示の第３の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第１の態様または第２の態様において、前記電気絶縁性部材はセラミック部材であってもよい。
　上記構成によると、取付け基台部はセラミック部材から構成されるため、耐熱性と電気絶縁性を有することができる。このため、この取付け基台部によって固定されている複数ユニット間でショートすることを防ぐことができる。
　本開示の第４の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第２または第３の態様において、前記排出部を介して前記ガス導入空間から排出された前記内部ガスを回収するガス回収部を備えてもよい。
　上記構成によると、ガス回収部を備えるため、排出部を介してガス導入空間から排出された内部ガスを、各ユニットからすべて回収し混合させて均一化させることができる。
　ところで、電気化学反応による内部ガスの利用率が向上するにつれ、内部ガスに含有される例えば水素などの可燃性ガスの濃度が低下していく。また、各ユニットにおける内部ガスの利用率の差により、各ユニットの排出部から排出された内部ガスにおいて、含有される可燃性ガスの濃度に差が生じる。
　ここで、例えば、排出された内部ガスを燃焼部で燃焼させる構成が想定できる。このような構成において、各ユニットの排出部から排出された内部ガスをそのまま燃焼部で燃焼させる構成では、可燃性ガスの濃度が燃焼部による燃焼を阻害する程度まで低下した内部ガスを含む場合、その内部ガスは燃焼されないため、部分的な失火が生じる。
　しかしながら、本発明の第４の態様に係る電気化学セルスタックでは、ガス回収部により、排出された内部ガスを混合させて可燃性ガス濃度を均一化させることができる。このため、部分的な失火の発生を防ぐことができる。
　本開示の第５の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第２から第４のいずれか１つの態様において、前記外周部が有する前記流入部および前記排出部は、前記ユニットの積層方向に平面視したとき前記膜－電極接合体に対して対称となる位置に設けられていてもよい。
　上記構成によると、ガス導入空間において膜－電極接合体の第１電極層へ効率よく内部ガスを供給することができる。
　なお、膜－電極接合体に対して対称となる位置とは、膜－電極接合体の中心に対して対称となる位置であってもよい。
　本開示の第６の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第５の態様において、前記膜－電極接合体は、丸型形状であってもよい。
　上記構成によると、膜－電極接合体は、丸型形状であるため、例えば、角型形状の膜－電極接合体と比較して強度を高めることができる。
　本開示の第７の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第２から第６の態様のいずれか１つの態様において、前記流入部および前記排出部の開口幅寸法は、内部ガスの流れ方向における前記膜－電極接合体の投影幅の範囲内となってもよい。
　上記構成によると、流入部および排出部の開口幅寸法が内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体の投影幅以上となる構成と比較して、膜－電極接合体の形状（例えば、丸型、角型）によらず、膜－電極接合体の第１電極層に対してより均一に内部ガスを供給することができる。
　本開示の第８の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第１から第７の態様のいずれか１つの態様において、前記外周部は、ガラス、セラミクス、および銀ロウからなる群から選ばれるいずれか１つを介して、前記電解質膜と接合されていてもよい。
　上記構成によると、内部ガスがガス導入空間から外部へ流出しないようシールすることができる。また、ユニットが高温に晒される場合であっても高温に耐える強度を有することができる。
　また温度変化によって膜－電極接合体が収縮膨張しても、電解質膜がガラス、セラミクス、および銀ロウのいずれか１つを介して外周部と接合されているため、膜－電極接合体の変位によるストレスを外周部で吸収することができる。
　本開示の第９の態様に係る電気化学セルスタックは、上記した第１から第８の態様のいずれか１つの態様において、前記外周部を構成する前記金属材は、ステンレスであってもよい。
　上記構成によると、外周部を構成する金属材がステンレスであるため、ユニットが高温下に晒された場合でも、外周部は耐酸化性、強度を十分に有することができる。また、外周部は、熱膨張係数を膜－電極接合体を主として構成するセラミックに近づけることができる。このため、外周部と電解質膜との接合部分における熱応力等の発生を最小限に抑制することができる。
　本開示の第１０の態様に係る電気化学セルユニットは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、を備える。
　本開示の第１１の態様に係る電気化学セルユニットは、上記した第１０の態様において、前記外周部は、前記内部ガスを前記ガス導入空間に流入させる流入部と、前記膜－電極接合体の電気化学反応に利用された内部ガスを、前記ガス導入空間から排出させる排出部とを有する。
　本開示の第１２の態様に係る電気化学セルユニットは、上記した第１１の態様において、前記外周部が有する前記流入部および前記排出部は、前記ユニットの積層方向に平面視したとき前記膜－電極接合体に対して対称となる位置に設けられている。
　本開示の第１３の態様に係る電気化学セルユニットは、上記した第１０から第１２の態様のいずれか１つの態様において、前記膜－電極接合体は、丸型形状である。
　本開示の第１４の態様に係る電気化学セルユニットは、上記した第１１の態様において、前記流入部および前記排出部の開口幅寸法は、内部ガスの流れ方向における前記膜－電極接合体の投影幅の範囲内となる。
　本開示の第１５の態様に係る電気化学セルユニットは、上記した第１０から第１４の態様のいずれか１つの態様において、前記外周部は、ガラス、セラミクス、および銀ロウからなる群から選ばれるいずれか１つを介して、前記電解質膜と接合されている。
　本開示の第１６の態様に係る電気化学セルユニットの製造方法は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、前記膜－電極接合体の第１電極層と接する第１集電部と、前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、前記膜－電極接合体の第２電極層と接する第２集電部と、前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、を有したユニットと、隣接する前記ユニット間において一方の前記ユニットの前記第２集電部と他方の前記ユニットの前記インターコネクタとを電気的に接続させて複数のユニットを固定する、電気絶縁性部材からなる固定部を有した取付け基台部と、を備える、電気化学セルユニットの製造方法であって、前記外周部と前記電解質膜における前記第２電極層側の表面とを接合する第１接合部に、ガラスシール剤、セラミック接着剤、および銀ロウ剤からなる群から選ばれるいずれか１つの第１ペースト剤を塗布するとともに、前記第２電極層における前記第２集電部が設けられる側の表面と前記第２集電部とを接合する第２接合部に導電性を有した第２ペースト剤を塗布する第１ステップと、前記第１接合部で前記外周部と前記電解質膜とを加圧接合させるとともに、前記第２接合部で前記第２電極層と前記第２集電部とを加圧接合させる第２ステップと、前記第１接合部および前記第２接合部をともに８００～９００℃で焼成して前記ユニットを形成する第３ステップと、を含む。
　上記方法によると、第３ステップにおいて、第１接合部および前記第２接合部の焼成を一緒に行うことができるため、別々に焼成を行う方法よりも工程を短縮することができる。また、別々の工程で異なるペースト剤を焼成した場合、先工程で焼成したペースト剤が、後工程で異なるペースト剤を焼成する際に再溶融してしまうという問題を防ぐことができる。
　本開示の第１７の態様に係る電気化学セルスタックの製造方法は、前記外周部と前記電解質膜における前記第２電極層側の表面とを接合する第１接合部に、ガラスシール剤、セラミック接着剤、および銀ロウ剤からなる群から選ばれるいずれか１つの第１ペースト剤を塗布するとともに、前記第２電極層における前記第２集電部が設けられる側の表面と前記第２集電部とを接合する第２接合部に導電性を有した第２ペースト剤を塗布する第１ステップと、前記第１接合部で前記外周部と前記電解質膜とを加圧接合させるとともに、前記第２接合部で前記第２電極層と前記第２集電部とを加圧接合させる第２ステップと、前記第１接合部および前記第２接合部をともに８００～９００℃で焼成して前記ユニットを形成する第３ステップと、前記第３ステップで形成されたユニットと、前記取付け基台部とを接合する第３接合部に、ガラスシール剤またはセラミック接着剤を塗布する第４ステップと、前記第３接合部を前記第３ステップの焼成温度よりも低い温度で焼成する第５ステップと、を含む。
　上記方法によると、第５ステップで行う第３接合部の焼成の温度が、先に第３ステップ行われた第１接合部および第２接合部の焼成の温度より低い。このため、第３接合部の焼成に際して、第１接合部の第１ペースト剤および第２接合部の第２ペースト剤が再溶融してしまうことを抑制することができる。よって、第１接合部～第３接合部において確実に接合を行うことができる。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付してその説明については省略する場合がある。
　［実施の形態］
　本開示の実施の形態に係る電気化学セルスタック１００は、電解質膜３２と電解質膜３２の一方の面に配置された第１電極層３１と、他方の面に配置された第２電極層３３とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体３４を備えたセルユニットである。本開示の実施の形態では、平板角型形状を有した膜－電極接合体３４を備える固体酸化物形燃料電池の構成を例に挙げて説明する。しかしながら、電気化学セルスタック１００は、固体酸化物形燃料電池に限定されるものではなく、膜－電極接合体３４に電圧を印加することで高温水蒸気から水素等を製造する水電解スタックであってもよい。また、電気化学セルスタック１００の膜－電極接合体３４の形状は、平板角型形状に限定されるものではなく、例えば、平板丸型形状であってもよい。
　本開示の実施の形態に係る電気化学セルスタック１００の構成について図１～４を参照して以下に説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る電気化学セルスタック１００の構成の一例を示す側面図である。図２は、図１に示す電気化学セルスタック１００の構成の一例を示す平面図である。図３は、図１に示す電気化学セルスタック１００のＡ－Ａ断面図である。図４は、図２に示す電気化学セルスタック１００が備える電気化学セルユニット４１のＢ－Ｂ断面図である。
　なお、図１では破線の矢印により内部ガス（例えば、燃料ガス）の流れを示し、図２では実線の矢印により酸化剤ガスの流れを示す。また、図３では、Ａ－Ａで切り出した連結された複数の電気化学セルユニット４１の断面形状のみを示している。図４では、Ｂ－Ｂで切り出した任意の１つの電気化学セルユニット４１の断面形状を示す。
　図１および図２に示すように電気化学セルスタック１００は、電気化学セルユニット４１と取付け基台部４２とを備えてなる構成である。また、図３に示すように、電気化学セルユニット４１は、上記した膜－電極接合体３４に加えて、膜－電極接合体３４の第１電極層３１と接する第１集電部３５と、第１集電部３５と電気的に接続されたインターコネクタ３６と、膜－電極接合体３４の第２電極層３３と接する第２集電部４０と、インターコネクタ３６および電解質膜３２とともに、第１電極層３１の外周を囲って、第１電極層３１に内部ガスを導くガス導入空間５０を形成する、金属材からなる外周部３９とを有する。
　より具体的には、図３に示すように、電気化学セルユニット４１は積層方向における一方面が金属製のインターコネクタ３６となり、他方の面では電解質膜３２に接する第２電極層３３が露出し、電気化学セルユニット４１の側周を金属製の外周部３９により囲った平板角型形状となっている。また、第１集電部３５と電気的に接続されたインターコネクタ３６とは、例えば、第１集電部３５とインターコネクタ３６とが接することがあげられる。
　［膜－電極接合体］
　膜－電極接合体３４は、電解質膜３２と、第１電極層３１と、第２電極層３３とを備えてなる構成である。膜－電極接合体３４が有する電解質膜３２は、酸素イオンを伝導するＹＳＺ系セラミックにより構成されていてもよい。或いは、プロトンを伝導するイットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）またはイッテルビウムを添加したジルコン酸バリウム（ＢＺＹｂ）系セラミックにより構成されていてもよい。このように、膜－電極接合体３４は、酸化物イオンが電解質膜３２の内部を通過する酸化物イオンタイプであってもよいし、水素イオンが電解質膜３２の内部を通過するプロトンタイプであってもよい。
　なお、電気化学セルスタック１００を固体酸化物形燃料電池セルとして用いる場合、動作温度は約６００から８００℃程度となる。特に、電解質膜３２としてプロトン伝導性を有する電解質膜を用いた場合、固体酸化物形燃料電池の動作温度を６００℃程度まで低下させることができる。
　また、膜－電極接合体３４が有する第１電極層３１は、固体酸化物形燃料電池における、いわゆる燃料極として機能する。第１電極層３１は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、およびＦｅ等の金属とセラミックから構成されてもよい。また、第１電極層３１は、これらの金属のうちの１種のみから構成されてもよく、これらの金属のうちの２種以上を含む合金から構成されていてもよい。
　一方、膜－電極接合体３４が有する第２電極層３３は、固体酸化物形燃料電池における、いわゆる空気極として機能する。第２電極層３３は、ランタンストロンチウムコバルト複合酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（ＬＳＣＦ）、およびランタンストロンチウム鉄複合酸化物（ＬＳＦ）からなる群から選ばれるいずれか１つから構成することができる。
　実施の形態に係る電気化学セルスタック１００では、第１電極層３１に内部ガスとして燃料ガスが、第２電極層３３に酸化剤ガスが供給され、膜－電極接合体３４において発電する。
　内部ガスは、例えば、改質器における改質反応により原料ガスから生成された水素を含む高温ガスであってもよい。原料ガスは、例えば、都市ガスまたはプロパンガス等の炭化水素ガスが挙げられる。その他、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であってもよい。また、原料ガスは、水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスであってもよい。原料ガスは１種類のガスであってもよいし、複数種類のガスを混合或いは併用してもよい。さらに、原料ガスは、窒素またはアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、固体または液体の原料を気化したものを原料ガスとして使用したり、上述した炭化水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを原料ガスとして使用したりしてもよい。一方、酸化ガスは、安全で安価な空気であることが好ましいが、酸素と他の気体との混合ガスでもよい。
　内部ガスは、電気化学セルスタック１００の外部に配置されたガス管（不図示）を介して、取付け基台部４２内に設けられたガス供給路４５に供給される。そして、ガス供給路４５において各電気化学セルユニット４１へ均一になるように分配され、各電気化学セルユニット４１の外周部３９内に形成されたガス導入空間５０へ導入される。一方、酸化剤ガスは、図２に示すように内部ガスの流れ方向とは直交する方向に流通して第２電極層３３に供給される。
　膜－電極接合体３４の形状は、四角形の平板に限定されるものではなく、丸形、多角形等の平板であってもよい。その場合、膜－電極接合体３４の形状に外周部３９の切り抜き形状を合わせるとともに、第１集電部３５および第２集電部４０の形状を変更する。
　さらに電気化学セルスタック１００において、連結された複数の電気化学セルユニット４１に組み込まれている膜－電極接合体３４の形状および種類はすべて同一であってもよいし、異なっていてもよい。電気化学セルスタック１００を製作するにあたり、最適な膜－電極接合体３４を選択することで、低コスト化を図ることができる。
　［第１集電部・第２集電部］
　第１集電部３５および第２集電部４０は、第１電極層３１および第２電極層３３の表面から電気を集める。第１集電部３５は、第１電極層３１とインターコネクタ３６とを電気的に接続しており、第２集電部４０は、第２電極層３３と、隣接する電気化学セルユニット４１が備えるインターコネクタ３６とを電気的に接続する。
　第１電極層３１とインターコネクタ３６とを電気的に接続する第１集電部３５は、第１電極層３１側が還元雰囲気となるため、主にニッケル鋼から構成される。一方、第２電極層３３と隣接する電気化学セルユニット４１のインターコネクタ３６とを電気的に接続する第２集電部４０は、第２電極層３３側が高温酸化雰囲気となるため、主に耐酸化性の優れたフェライト系ステンレス鋼材から構成される。
　なお、電気化学セルユニット４１において、インターコネクタ３６と接する第１集電部３５は、ニッケル板に複数の切り起こしを形成した構成としてもよい。すなわち、第１集電部３５は、インターコネクタ３６と接するニッケル板の集電部母材と、切り起こし加工により集電部母材から第１電極層３１に向かって立ち上がった、複数の切り起こし部６０（後述の図９参照）を第１電極層３１と接するように配置した構成としてもよい。第１集電部３５をこのように構成した場合、第１電極層３１とインターコネクタ３６との間における電気的な接点を確保するとともに、切り起こし部６０が弾性を有するため膜－電極接合体３４の変位へ追随させることができる。また、複数の切り起こし部６０によって、第１電極層３１における内部ガスの拡散性を向上させることができる。
　また、電気化学セルユニット４１では、第２電極層３３と第２集電部４０とが導電性を有する第２ペースト剤４６によって接合されている。第２ペースト剤４６は、高温環境下においても接点での電気的抵抗が十分小さくなるペースト剤とする。第２集電部４０は、第２電極層３３と接合される端部とは異なる端部において隣接する電気化学セルユニット４１のインターコネクタ３６と溶接またはカシメ等により電気的に接続した状態で接合される。このようにして隣接する電気化学セルユニット４１同士を、第２集電部４０を介して連結させ、電気的に接続させる。第２集電部４０は、変形可能なようにパンタグラフ状（図２、３参照）に形成されていてもよい。但し、第２集電部４０は、このような形状に限定されるものではなく、第１集電部３５と同様に複数の切り起こし部を形成した構成としてもよい。或いは、第２集電部４０は、ディンプル、金属メッシュ、または金属発泡等で形成されてもよい。
　［インターコネクタ］
　インターコネクタ３６は、電気化学セルユニット４１間の電気的に接続するとともに、電気化学セルユニット４１で発生した電力を集める部材である。電気化学セルユニット４１で発生した電力は第１集電部３５および第２集電部４０を介してインターコネクタ３６に供給される。インターコネクタ３６は、例えば、フェライト系ステンレスからなる厚み０．２～２．０ｍｍの板材とすることができる。
　なお、直列に連結された電気化学セルユニット４１群の両端、すなわち電気化学セルスタック１００の両端には出力端子を有した集電部材（不図示）が設けられている。集電部材とは、集電する板であってもよいし、集電する配線であってもよい。そして、電気化学セルスタック１００が固体酸化物形燃料電池のセルユニットとして用いられる場合、各電気化学セルユニット４１で発電された電気は電気化学セルスタック１００の両端の集電部材から取り出され、電力として利用される。
　［外周部］
　図３に示すように、外周部３９は、一方の端部で、膜－電極接合体３４の電解質膜３２と、２～１０ｍｍ程度の糊代をもって第１ペースト剤４９により接合され、他方の端部でインターコネクタ３６と全周溶接されている。なお、外周部３９とインターコネクタ３６とを金属溶接により接合させる場合、焼成によりセラミック部材を接合させる場合よりも耐久性に優れるため有利である。
　以上のように、外周部３９は、インターコネクタ３６および電解質膜３２とともに第１電極層３１および第１集電部３５の外周を囲うことができる。この構成により、電気化学セルユニット４１は、第１電極層３１に内部ガスを導くガス導入空間５０を形成することができる。なお、外周部３９は、例えば、薄いフェライト系ステンレス鋼（例えば、厚さｔ＝0.05～0.15mm）で構成することができる。
　このように外周部３９をフェライト系ステンレス鋼で構成した場合、電気化学セルユニット４１を製作するための材料費を安価とすることができる。さらに、発電時において、電気化学セルユニット４１が高温下に晒された場合でも、外周部３９は耐酸化性、強度を十分に有することができる。また、外周部３９は、熱膨張係数を膜－電極接合体３４を主として構成するセラミックに近づけることができる。このため、外周部３９と電解質膜３２との接合部分および膜－電極接合体３４の内部における熱応力等の発生を最小限に抑制することができる。
　また、第１ペースト剤４９は、ガラス、セラミック、および銀ロウからなる群から選ばれるいずれか１つであってもよい。このような第１ペースト剤４９によって外周部３９は、電解質膜３２と接合されるため、内部ガスがガス導入空間５０から外部へ流出しないようシールすることができる。また、電気化学セルユニット４１が高温に晒される場合であっても高温に耐える強度を有することができる。また温度変化によって膜－電極接合体３４が収縮膨張しても、電解質膜３２がガラス、セラミクス、および銀ロウからなる群から選ばれるいずれか１つを介して外周部３９と接合されているため、膜－電極接合体３４の変位によるストレスを外周部３９で吸収することができる。それゆえ、膜－電極接合体３４に割れが生じたり、剥がれが生じたりすることを抑制することができる。
　また、電気化学セルユニット４１の取付け基台部４２に取り付けられる側の端部に配置された外周部３９部分において流入部３７が設けられる、また、流入部３７が設けられている側とは反対側となる電気化学セルユニット４１の端部に配置された外周部３９部分おいて排出部３８が設けられている。そして、取付け基台部４２内に設けられたガス供給路４５とガス導入空間５０とは、流入部３７を介して連通するように構成されている。
　外周部３９が有する流入部３７および排出部３８は、図５に示すように、電気化学セルユニット４１の積層方向に平面視したとき膜－電極接合体３４に対して、特には膜－電極接合体３４の中心Ｏに対して対称となる位置に設けられている。図５は、本開示の電気化学セルスタック１００が備える電気化学セルユニット４１を積層方向からみたときの外周部３９と膜－電極接合体３４との位置関係を概略的に示す図である。外周部３９において図５に示すような位置関係に流入部３７および排出部３８が設けられている場合、ガス導入空間５０において膜－電極接合体３４の第１電極層３１へ効率よく内部ガスを供給することができる。
　さらにまた、電気化学セルユニット４１を積層方向に平面視したときの流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法が、内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体３４の投影幅の範囲内となるように設定されている。このため、上記したように膜－電極接合体３４が平板角型形状の場合であっても、平板丸型形状の場合であっても第１電極層３１に対して内部ガスを均一に供給することができる。この流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法と、内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体３４の投影幅との関係についての詳細は後述する。
　この様に外周部３９は、インターコネクタ３６および電解質膜３２とともに第１電極層３１の外周を囲い、ガス導入空間５０を形成する構成のため、内部ガスは流入部３７および排出部３８以外から漏れることがなく、内部ガスのガス漏れを防止することができる。また仮にガス導入空間５０からガスが漏れたとしても、セラミックによりガス導入空間を形成した構成よりも、そのガス漏れ箇所を容易に特定して修復することができる。
　さらにまた、電気化学セルユニット４１が高温に晒されて膜－電極接合体３４が変位する場合であっても、外周部３９は薄い金属材から構成されており撓むことができるため、この変位により生じるストレスを吸収することができる。このため、電気化学セルユニット４１において膜－電極接合体３４の割れが生じることを防止することができる。
　（取付け基台部）
　取付け基台部４２は、図１および図４に示すように、隣接する電気化学セルユニット４１間において一方の電気化学セルユニット４１の第２集電部４０と他方の電気化学セルユニット４１のインターコネクタ３６とを電気的に接続させた状態で複数の電気化学セルユニット４１を固定する、電気絶縁性部材からなる固定部４３を有している。また、取付け基台部４２は、外周部３９により形成されるガス導入空間５０と連通しており、内部ガス（例えば、燃料ガス）をガス導入空間５０に供給するガス供給路４５を有する。
　すなわち、電気化学セルスタック１００では、複数の電気化学セルユニット４１を並べて積層方向に連結するとともに、内部ガスを供給する取付け基台部４２の固定部４３に各電気化学セルユニット４１の一端を挿入して固定する構成である。固定部４３は取付け基台部４２に形成されたスリット状の挿入部４３ａと、挿入部４３ａに挿入された電気化学セルユニット４１の端部を取付け基台部４２に接合するシール接合部４３ｂとによって構成される。つまり、挿入部４３ａは、電気化学セルユニット４１のＡ－Ａ断面形状に応じた形状を有したスリット状の間隙であり、この間隙に電気化学セルユニット４１の端部を挿入し、電気化学セルユニット４１と取付け基台部４２との接触面をシール接合部４３ｂにより固定する。なお、挿入部４３ａにおける少なくとも電気化学セルユニット４１と接する面とシール接合部４３ｂとは電気絶縁性を有する部材により構成される。
　すなわち、取付け基台部４２は、電圧の異なる各電気化学セルユニット４１と直接接するため、電気的な絶縁性が求められる。実施の形態に係る電気化学セルスタック１００では、少なくとも電気化学セルユニット４１と接する挿入部４３ａの面はセラミック等の絶縁部材により構成されている。また、シール接合部４３ｂとしては、取付け基台部４２と電気化学セルユニット４１との間における電気絶縁性とガスシール性とを両立させることができるガラスシール剤、またはセラミック接着剤が例示できる。なお、実施の形態に係る電気化学セルスタック１００では、取付け基台部４２の構成のうち、少なくとも電気化学セルユニット４１と接する挿入部４３ａの面はセラミック等の電気絶縁性部材により構成されていたが、取付け基台部４２全体が電気絶縁性部材から構成されていてもよい。
　また、取付け基台部４２のガス供給路４５を流通する内部ガスは、電気化学セルユニット４１の外周部３９に設けられた内部ガスの流入部３７を介して、取付け基台部４２から電気化学セルユニット４１へ供給される。内部ガスは電気化学セルユニット４１のガス導入空間５０を通過する際、第１電極層３１の表面で内部ガス中に含有される水素が電気化学反応によって消費される。水素が消費された内部ガスは排出部３８を介して電気化学セルユニット４１の外部へ排出される。
　なお、取付け基台部４２に固定して連結させる電気化学セルユニット４１の個数は必要とする発電量によって変化させることができる。つまり、電気化学セルユニット４１は、図１および図２に示すように1列に配置されていてもよいし、２列以上に配置される構成であってもよい。
　また、取付け基台部４２上で固定され、連結される電気化学セルユニット４１の数は、固体酸化物形燃料電池等において必要となる発電量および膜－電極接合体３４の電極面積、電流密度等によって変化する。例えば、固体酸化物形燃料電池が一般家庭用に用いられる発電装置の場合、約ＤＣ７８０Ｗ（約ＡＣ７００Ｗ）が得られるように、電気化学セルユニット４１の連結数および電気化学セルユニット４１の電極層の面積が決定される。
　電気化学セルユニット４１に搭載される膜－電極接合体３４の第１電極層３１および第２電極層３３の主面が一辺１００ｍｍ程度の正方形の場合、電気化学セルユニット４１を、例えば１５～４０個連結させて構成する。各電気化学セルユニット４１の起電圧は約０．８Ｖであるため、各電気化学セルユニット４１を直列に連結させることで１２～３２Ｖ程度の起電圧、２０～３０Ａの大きな直流電流を得ることができる。大型設備向け商品の場合は、電気化学セルユニット４１の連結数がさらに大きくなってもよい。
　以上のように、取付け基台部４２のガス供給路４５を通じて各電気化学セルユニット４１に供給された内部ガスは、外周部３９の流入部３７を介して各電気化学セルユニット４１のガス導入空間５０に導かれ、膜－電極接合体３４の電気化学反応に利用される。電気化学反応に利用された後の内部ガスは、各電気化学セルユニット４１における取付け基台部４２に固定されている側とは反対側の端部に設けられた、外周部３９の排出部３８を介してオフガスとして外部へ噴出する。また、電気化学セルユニット４１の第２電極層３３には酸化剤ガスが供給されており、膜－電極接合体３４の電気化学反応に利用された後、酸化剤ガスはオフガスとして排出される。
　排出部３８を介して排出された内部ガスのオフガスは、酸化剤ガスのオフガスと混合され燃焼部（不図示）によって燃焼され、燃焼熱に変換される。図２では内部ガスの排出部３８として、電気化学セルユニット４１に約Φ１．５ｍｍの丸穴を３個ずつ形成している。燃焼性を考慮すると、排出部３８の開口形状は丸穴が望ましいが、数量、穴径、穴のピッチは限定されるものではなく、火炎の吹き飛びや失火等を抑制できる最適な構成であればよい。
　なお、取付け基台部４２は、固定部４３とガス供給路４５とを有した構成であったが、ガス供給路４５が別途設けられている場合は、固定部４３のみを有した構成としてもよい。
　実施の形態に係る電気化学セルスタック１００では、上記したように発電後のオフガス同士を、排出部３８の直上で拡散燃焼させる。燃焼熱は金属製の外周部３９を加熱するため、直接発電に重要な膜－電極接合体３４を加熱することが無く、電気化学セルユニット４１の耐久性能向上に寄与することができる。
　ところで、膜-電極接合体３４では、熱膨張係数をはじめとする３層間の熱物性値の違い、または焼結時の残留応力、第１電極層３１（燃料極層）での還元時の変形応力等の影響により、膜-電極接合体３４の中心部が凸となった、いわゆるすり鉢状の不均一な変位、または各部材間の反りや歪み等が生じる。実施の形態に係る電気化学セルユニット４１は、金属製の外周部３９、および弾性を有する第１集電部３５と第２集電部４０とにより膜－電極接合体３４を固定する構成である。このため、実施の形態に係る電気化学セルユニット４１では、熱膨張係数差等によって生じた変形を、外周部３９、第１集電部３５、および第２集電部４０によって分散吸収することができる。したがって、実施の形態に係る電気化学セルユニット４１は、膜－電極接合体３４を保護しつつ、熱膨張係数差等によって生じた変形に起因する、膜-電極接合体３４における接着面に生じるストレスを低減させて、耐久性能を向上させることができる。
　また、電気化学セルスタック１００では、上記したように汎用的な平板型の膜－電極接合体３４を利用することができるため、特殊な形状の円筒平板型ユニットを用いる特許文献２および３に係る従来の電気化学セルユニットよりも応用展開を可能とし、コスト低減を実現することができる。
　［変形例１］
　本開示の実施の形態の変形例１に係る電気化学セルスタック１００について、図６～図８を参照して説明する。図６は、本開示の実施の形態の変形例１に係る電気化学セルスタック１００の構成の一例を示す側面図である。図７は、図６に示す電気化学セルスタック１００の構成の一例を示す斜視図である。図８は、図６に示す電気化学セルスタック１００が有する電気化学セルユニット４１の断面図である。なお、図６では内部ガスの流通方向を破線の矢印で示している。図７では、内部ガスおよび内部ガスのオフガスの流通方向を破線の矢印で示し、酸化剤ガスおよび酸化剤ガスのオフガスの流通方向を実線の矢印で示す。図８は、図４と同様なＢ－Ｂ断面で電気化学セルユニット４１を切り出したときの断面形状を示す。
　図６～図８に示すように、変形例１に係る電気化学セルスタック１００は、実施の形態に係る電気化学セルスタック１００の構成において、さらにガス回収部４４を備えた構成となっている。なお、ガス回収部４４を備えている点を除けば、変形例１に係る電気化学セルスタック１００は、実施の形態に係る電気化学セルスタック１００と同様の構成であるため、同様の部材には同じ符号を付しその説明は省略する。
　ガス回収部４４は、電気化学セルユニット４１の外周部３９に形成された排出部３８を介してガス導入空間５０から排出された内部ガスを回収する。すなわち、ガス回収部４４は、取付け基台部４２と対向する位置に配置されており、取付け基台部４２に固定されている電気化学セルユニット４１の一方の端部とは反対側となる他方の端部を固定する。
　図８に示すように、ガス回収部４４は、電気化学セルユニット４１の他方の端部を固定するために電気絶縁性部材からなる排出側固定部４８を有している。排出側固定部４８は、固定部４３同様の構成となっている。すなわち、排出側固定部４８は、ガス回収部４４に形成されたスリット状の挿入部４８ａと、挿入部４８ａに挿入された電気化学セルユニット４１部分をガス回収部４４に接合するシール接合部４８ｂとによって構成される。なお、挿入部４８ａにおける少なくとも電気化学セルユニット４１と接する面とシール接合部４８ｂとは電気絶縁性を有する部材により構成される。シール接合部４８ｂとしては、ガス回収部４４と電気化学セルユニット４１との間における電気絶縁性とガスシール性とを両立させることができるガラスシール剤、またはセラミック接着剤が例示できる。なお、変形例１に係る電気化学セルスタック１００では、ガス回収部４４の構成のうち、少なくとも電気化学セルユニット４１と接する挿入部４８ａの面はセラミック等の電気絶縁性部材により構成されていたが、ガス回収部４４全体が電気絶縁性部材から構成されていてもよい。
　また、ガス回収部４４は、排出部３８を介して外周部３９により形成されるガス導入空間５０と連通しており、ガス導入空間５０から排出された内部ガスのオフガスを外部に排出するガス排出経路４７を有する。そして、ガス導入空間５０から排出部３８介して排出された内部ガスのオフガスはガス排出経路４７を流通して電気化学セルスタック１００の外部に導かれる。
　図７に示すように、変形例１に係る電気化学セルスタック１００は、電気化学セルユニット４１を取付け基台部４２とガス回収部４４との両方により支持した、いわゆる両持ち梁の支持構造となる。すなわち、一方の側方において取付け基台部４２を立設させ、他方の側方においてガス回収部４４を立設させる。そして、両者の間を横架するように複数の電気化学セルユニット４１を配置させた構造とすることができる。
　このように変形例１に係る電気化学セルスタック１００では、電気化学セルユニット４１を両持ち梁で支持することができるのは、電気化学セルユニット４１の外周部３９およびインターコネクタ３６が金属製であり、温度変化に起因する膜－電極接合体３４の変位を吸収し割れが生じることがないからである。また、両持ち梁支持構造とすることで、電気化学セルユニット４１の両端を固定して支持できるため、変形例１に係る電気化学セルスタック１００は構造が堅牢となる。
　図７に示すように、変形例１に係る電気化学セルスタック１００では、電気化学セルユニット４１間に酸化剤ガスを流通させるとともに、電気化学セルユニット４１の積層方向に沿って長寸をなす取付け基台部４２の一方の端部から内部ガスを供給させ、この積層方向に沿って長寸をなすガス回収部４４の一方の端部から内部ガスのオフガスを排出させるように構成している。
　このような構成では、ガス回収部４４から排出された内部ガスのオフガスを任意の場所に、例えば配管等により導くことができる。このため、電気化学セルユニット４１の排出部３８の直上に燃焼部を設ける必要がなく電気化学セルスタック１００の配置の自由度、電気化学セルスタック１００を備えた固体酸化物形燃料電池における設計の自由度を増すことができる。
　なお、図６および図８に示すように、電気化学セルユニット４１のガス導入空間５０において、膜－電極接合体３４の電気化学反応により、含有される水素の一部が消費された内部ガスはオフガスとして排出部３８を介して電気化学セルユニット４１から排出される。このとき排出されたオフガスは、水蒸気および二酸化炭素等の不燃成分が大部分を占める希薄水素ガスになっている。特に、通常の発電において設定される燃料利用率よりも高い燃料利用率に設定された場合、内部ガスのオフガスに含まれる水素濃度は燃焼限界近くまで低下してしまう。また、各電気化学セルユニット４１へ供給される内部ガスの流量のばらつき、または内部ガスに含有される水素濃度のばらつき等により、電気化学セルユニット４１から排出された内部ガスのオフガスの中には、水素濃度が燃焼限界を超えてしまったものも含まれる。それゆえ、各電気化学セルユニット４１の排出部３８から排出された内部ガスのオフガスを酸化剤ガスのオフガスとともにそのまま燃焼させると、部分失火および不完全燃焼等が生じる場合がある。
　そのため、通常の発電時よりも燃料利用率を高く設定した場合、内部ガスのオフガスを排出部３８の直上でそのまま燃焼させ、その燃焼熱を、改質器等を加熱する熱源として利用する構成では安定的な加熱が困難になる。このため、改質器等を加熱する熱源として内部ガスのオフガスの燃焼熱を利用する場合、システムが不安定化する場合がある。
　しかしながら変形例１に係る電気化学セルスタック１００では、複数の電気化学セルユニット４１の他方側の端部をガス回収部４４に接合させ、排出部３８を介して排出された内部ガスのオフガスをガス回収部４４内で集約し、均一化させて燃焼器（不図示）へ供給することができる。このため、燃料利用率を高く設定した場合でも安定燃焼を維持することができる。
　［変形例２およびシミュレーション解析］
　本開示の実施の形態の変形例２に係る電気化学セルスタック１００について、図９および図１０を参照して説明する。図９は、本開示の変形例２に係る電気化学セルスタック１００が備える電気化学セルユニット４１の断面形状と内部ガスの流れを模式的に示す図である。図１０は、本開示の変形例２とは流入部３７の幅が異なる電気化学セルユニット４１の断面形状と内部ガスの流れを模式的に示す図である。
　図９および図１０は、図１に示すＣ－Ｃの位置で電気化学セルユニット４１を切り出したときの断面形状を示し、矢印によって電気化学セルユニット４１に内部ガスを供給したときのガスの流れの数値シミュレーション結果を模式的に示す。図９では流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法が膜－電極接合体３４の幅（すなわち、投影幅）よりも小さい場合を示す。一方、図１０では変形例２とは異なり、流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法が膜－電極接合体３４の幅（すなわち、投影幅）よりも大きい場合を示す。
　なお、図９および図１０において膜－電極接合体３４の中に複数の四角形状の部材が整列配置されて示されている。これは第１集電部３５において形成された切り起こし部６０を示し、この部分で内部ガスが衝突、拡散され、混合するとともに、第１電極層３１と第１集電部３５とが電気的に接続している。図９および図１０では、切り起こし部６０は均等間隔に配置され、かつ同一形状としているがこの限りではない。
　図９および図１０で示すように、実施の形態に係る電気化学セルスタック１００の構成において、平板角型形状であった膜－電極接合体３４の形状を、平板丸型形状として検討した。膜－電極接合体３４の形状を平板丸型形状とした場合、平板角型形状の膜－電極接合体３４と比較して強度を高めることができる。ただし、膜－電極接合体３４を平板丸型形状とする場合、流入部３７から排出部３８まで一様にまっすぐ内部ガスが流通すると仮定したとき、円の中心に近くなるほど第１電極層３１上を流通する距離が長くなる。このように、流入部３７から排出部３８まで一様にまっすぐ内部ガスを流通させると、第１電極層３１上を流通する距離にばらつきが生じる。そこで、第１電極層３１上において、できるだけ内部ガスが均一に分配されるように工夫した構成とする必要がある。図９および図１０に示す電気化学セルスタック１００では、第１集電部３５において切り起こし部６０を設けて、ガス導入空間５０内で内部ガスを拡散させる構成となっている。
　上記した構成において変形例２に係る電気化学セルスタック１００では、図９に示すように、電気化学セルユニット４１を積層方向に平面視したときの流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法を、内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体３４の投影幅の範囲内となるように設定した。換言すると電気化学セルユニット４１を積層方向に平面視したとき、流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法が内部ガスの流れ方向に対して垂直となる膜－電極接合体３４の幅寸法内となるように設定した。なお、内部ガスの流れ方向とは、流入部３７から排出部３８に向かう方向である。
　一方、変形例２とは異なる投影幅を有する電気化学セルスタック１００では、図１０に示すように、流入部３７および排出部３８の開口幅寸法は、内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体３４の投影幅の範囲より大きくなるように設定した。
　図１０に示す電気化学セルスタック１００では、膜－電極接合体３４の外周に沿って流れる内部ガスの流量が大きくなり、内部ガスを効率よく第１電極層３１に供給させることができないことが分かった。具体的には、シミュレーション解析の結果では、円形部部（第１電極層３１）を流通する内部ガスの流量が全流量の８１％であるのに対し、円形部（第１電極層３１）の外周を流通する内部ガスの流量が全流量の１９％であった。つまり、内部ガスは、最も流量が必要とされる第１電極層３１内だけではなく、抵抗の小さい第１電極層３１の外周も通過しており、第１電極層３１内において均一に供給されない。このため、効率の良い電気化学反応を実施することができなくなる。特に、燃料利用率を通常の発電時よりも高く設定した場合、水素枯れを引き起こし、故障の原因となってしまう。
　それに対し、図９に示す変形例２に係る電気化学セルスタック１００では、膜－電極接合体３４が上記したように偏流しやすい丸型であるにもかかわらず、シミュレーション解析の結果では、円形部（第１電極層３１）を流通する内部ガスの流量が全流量の９９．２％であるのに対し、円形部の外周を流通する内部ガスの流量が全流量の０．８％であった。この結果から、流入部３７および排出部３８の開口幅寸法を内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体３４の投影幅の範囲内とすることで、内部ガスを第１電極層３１に均一に効率よく供給することができると分かった。特に流入部３７および排出部３８それぞれの開口幅寸法は、内部ガスの流れ方向における膜－電極接合体３４の投影幅の半分以下の範囲であって、必要な流量の内部ガスをガス導入空間５０において流通させることができる寸法とすることが好適であることが分かった。
　さらに、変形例２に係る電気化学セルスタック１００を固体酸化物形燃料電池に搭載して発電実験を行った結果、高い燃料利用率（例えば、約８５％）に設定された場合であっても発電可能であった。これは、水素濃度が最も低下する内部ガスの排出部３８において、排出部３８の開口幅寸法を小さくすることにより、ガス導入空間５０を流通する全ての内部ガスを集約して排出させることができるためであると考えられる。この効果は、膜－電極接合体３４の形状が上記した丸型形状である場合に限定されるものではなく、角型形状等の場合であっても得ることができる。
　（電気化学セルユニットの製造方法）
　次に実施の形態に係る電気化学セルスタック１００の製造方法の一例について図１１～図１３を参照して説明する。図１１は、本開示の電気化学セルスタック１００の製造方法の一例を示すフローチャートである。図１２は、図１１に示すステップＳ１で実施する処理を模式的に示す図である。図１３は、図１１に示すステップＳ２で実施する処理を模式的に示す図である。
　図１１および図１２に示すように、まず、外周部３９と電解質膜３２における第２電極層３３側の表面とを接合する第１接合部７０に、第１ペースト剤４９を塗布するとともに、第２電極層３３における第２集電部４０が設けられる側の表面と第２集電部４０とを接合する第２接合部７１に導電性を有した第２ペースト剤４６を塗布する（ステップＳ１）。なお、第１ペースト剤４９は、ガラスシール剤、セラミック接着剤、および銀ロウ剤からなる群から選ばれるいずれか１つのペースト剤である。
　次に、図１１および図１３に示すように第１接合部７０で外周部３９と電解質膜３２とを加圧接合させるとともに、第２接合部７１で第２電極層３３と第２集電部４０とを加圧接合させる（ステップＳ２）。図１３に示すように、第１接合部７０において外周部３９を電解質膜３２に接合させるための荷重は、第２集電部４０の切り起こし部６０を形成する領域を確保するために外周部３９と第２集電部４０との間に設けられたスペーサ８０を介して印加される。一方、第２接合部７１において第２電極層３３を第２集電部４０に接合させるための荷重は、第２集電部４０の切り起こし部６０に対して印加される。ステップＳ２により第１接合部７０および第２接合部７１において加圧接合された状態で、第１接合部７０および第２接合部７１をともに８００～９００℃で焼成して電気化学セルユニット４１を形成する（ステップＳ３）。
　このように、ステップＳ３において、第１接合部７０および第２接合部７１の焼成を一緒に行うことができるため、別々に焼成を行う方法よりも工程を短縮することができる。なお、電気化学セルスタック１００を固体酸化物形燃料電池に用いる場合、固体酸化物形燃料電池の動作温度が約６００～８００℃である。このため、ステップＳ３における焼成温度は、固体酸化物形燃料電池の動作温度より高い温度とし、且つインターコネクタ３６および外周部３９を構成するステンレス部材が耐えられる温度以下とすることが好適である。つまり、８００～９００℃の温度範囲となる炉で焼成する事（継続時間約２０分から１時間）が好適である。
　以上のようにして電気化学セルユニット４１を形成すると、形成した電気化学セルユニット４１を取付け基台部４２の固定部４３（第３接合部）に接合する。すなわち、電気化学セルユニット４１と、取付け基台部４２とを接合する固定部４３（第３接合部）において、ガラスシール剤またはセラミック接着剤を塗布する（ステップＳ４）。この固定部４３（第３接合部）をステップＳ３の焼成温度（８００～９００℃）よりも低い温度で焼成する（ステップＳ５）。なお、ステップＳ５の焼成温度は、例えば、１００～２００℃とすることができる。
　上記したように、ステップＳ５で行う固定部４３（第３接合部）での焼成の温度が、先にステップＳ３行われた第１接合部７０および第２接合部７１の焼成の温度より低いため、固定部４３（第３接合部）の焼成に際して、第１接合部７０の第１ペースト剤および第２接合部の第２ペースト剤が再溶融してしまうことを抑制することができる。このため、第１接合部～第３接合部において確実に接合を行うことができる。
　なお、変形例に係る電気化学セルスタック１００のように、さらにガス回収部４４を備えた構成となっている場合は、形成した電気化学セルユニット４１の一方の端部を取付け基台部４２の固定部４３（第３接合部）に接合するとともに、他方の端部をガス回収部４４の排出側固定部４８に接合する。すなわち、ステップＳ４で、固定部４３（第３接合部）および排出側固定部４８において、ガラスシール剤またはセラミック接着剤を塗布する。そして、続くステップＳ５で、固定部４３（第３接合部）および排出側固定部４８を、ステップＳ３の焼成温度（例えば、８００～９００℃）よりも低い温度（例えば、１００～２００℃）でともに焼成する。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
　本開示の電気化学セルユニットは、固体酸化物形電解セルなどの複数の電気化学セルから構成される、電気化学セルユニットに広く適用できる。
　　３１　　第１電極層
　　３２　　電解質膜
　　３３　　第２電極層
　　３４　　電極接合体
　　３５　　第１集電部
　　３６　　インターコネクタ
　　３７　　流入部
　　３８　　排出部
　　３９　　外周部
　　４０　　第２集電部
　　４１　　電気化学セルユニット
　　４２　　取付け基台部
　　４３　　固定部
　　４３ａ　挿入部
　　４３ｂ　シール接合部
　　４４　　ガス回収部
　　４５　　ガス供給路
　　４６　　第２ペースト剤
　　４７　　ガス排出経路
　　４８　　排出側固定部
　　４８ａ　挿入部
　　４８ｂ　シール接合部
　　４９　　第１ペースト剤
　　５０　　ガス導入空間
　　６０　　切り起こし部
　　７０　　第１接合部
　　７１　　第２接合部
　　８０　　スペーサ
　１００　　電気化学

Claims (17)

  1. 　電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、
    　前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、
    　前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、
    　前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、
    　前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、を有したユニットと、
    　隣接する前記ユニット間において一方の前記ユニットの前記第２集電部と他方の前記ユニットの前記インターコネクタとを電気的に接続させて複数のユニットを固定する、電気絶縁性部材からなる固定部を有した取付け基台部と、を備える、電気化学セルスタック。
  2. 　前記外周部は、前記内部ガスを前記ガス導入空間に流入させる流入部と、前記膜－電極接合体の電気化学反応に利用された内部ガスを、前記ガス導入空間から排出させる排出部とを有し、
    　前記取付け基台部は、前記流入部を介して前記ガス導入空間と連通しており、前記内部ガスを前記ガス導入空間に供給するガス供給路を有する、請求項１に記載の電気化学セルスタック。
  3. 　前記電気絶縁性部材はセラミック部材である、請求項１または請求項２に記載の電気化学セルスタック。
  4. 　前記排出部を介して前記ガス導入空間から排出された前記内部ガスを回収するガス回収部を備える、請求項２または３に記載の電気化学セルスタック。
  5. 　前記外周部が有する前記流入部および前記排出部は、前記ユニットの積層方向に平面視したとき前記膜－電極接合体に対して対称となる位置に設けられている、請求項２から４のいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
  6. 　前記膜－電極接合体は、丸型形状である、請求項５に記載の電気化学セルスタック。
  7. 　前記流入部および前記排出部の開口幅寸法は、内部ガスの流れ方向における前記膜－電極接合体の投影幅の範囲内となる、請求項２から６のいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
  8. 　前記外周部は、ガラス、セラミクス、および銀ロウからなる群から選ばれるいずれか１つを介して、前記電解質膜と接合されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
  9. 　前記外周部を構成する前記金属材は、ステンレスである、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
  10. 　電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された第１電極層と、他方の面に配置された第２電極層とを積層させて構成される平板型の膜－電極接合体と、
    　前記膜－電極接合体の前記第１電極層と接する第１集電部と、
    　前記第１集電部と電気的に接続されたインターコネクタと、
    　前記膜－電極接合体の前記第２電極層と接する第２集電部と、
    　前記インターコネクタおよび前記電解質膜とともに、前記第１電極層の外周を囲って、
    前記第１電極層に内部ガスを導くガス導入空間を形成する、金属材からなる外周部と、を備えた、
    電気化学セルユニット。
  11. 　前記外周部は、前記内部ガスを前記ガス導入空間に流入させる流入部と、前記膜－電極接合体の電気化学反応に利用された内部ガスを、前記ガス導入空間から排出させる排出部とを有する、
    請求項１０に記載の電気化学セルユニット。
  12. 　前記外周部が有する前記流入部および前記排出部は、前記ユニットの積層方向に平面視したとき前記膜－電極接合体に対して対称となる位置に設けられている、
    請求項１１に記載の電気化学セルユニット。
  13. 　前記膜－電極接合体は、丸型形状である、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の電気化学セルユニット。
  14. 　前記流入部および前記排出部の開口幅寸法は、内部ガスの流れ方向における前記膜－電極接合体の投影幅の範囲内となる、
    請求項１１に記載の電気化学セルユニット。
  15. 　前記外周部は、ガラス、セラミクス、および銀ロウからなる群から選ばれるいずれか１つを介して、前記電解質膜と接合されている、
    請求項１０から１４のいずれか１項に記載の電気化学セルユニット。
  16. 　請求項１０に記載の電気化学セルユニットの製造方法であって、
    　前記外周部と前記電解質膜における前記第２電極層側の表面とを接合する第１接合部に、ガラスシール剤、セラミック接着剤、および銀ロウ剤からなる群から選ばれるいずれか１つの第１ペースト剤を塗布するとともに、前記第２電極層における前記第２集電部が設けられる側の表面と前記第２集電部とを接合する第２接合部に導電性を有した第２ペースト剤を塗布する第１ステップと、
    　前記第１接合部で前記外周部と前記電解質膜とを加圧接合させるとともに、前記第２接合部で前記第２電極層と前記第２集電部とを加圧接合させる第２ステップと、
    　前記第１接合部および前記第２接合部をともに８００～９００℃で焼成して前記ユニットを形成する第３ステップと、を含む、電気化学セルユニットの製造方法。
  17. 　請求項１に記載の電気化学セルスタックの製造方法であって、
    　前記外周部と前記電解質膜における前記第２電極層側の表面とを接合する第１接合部に、ガラスシール剤、セラミック接着剤、および銀ロウ剤からなる群から選ばれるいずれか１つの第１ペースト剤を塗布するとともに、前記第２電極層における前記第２集電部が設けられる側の表面と前記第２集電部とを接合する第２接合部に導電性を有した第２ペースト剤を塗布する第１ステップと、
    　前記第１接合部で前記外周部と前記電解質膜とを加圧接合させるとともに、前記第２接合部で前記第２電極層と前記第２集電部とを加圧接合させる第２ステップと、
    　前記第１接合部および前記第２接合部をともに８００～９００℃で焼成して前記ユニットを形成する第３ステップと、前記第３ステップで形成されたユニットと、前記取付け基台部とを接合する第３接合部に、ガラスシール剤またはセラミック接着剤を塗布する第４ステップと、
    　前記第３接合部を前記第３ステップの焼成温度よりも低い温度で焼成する第５ステップと、を含む、電気化学セルスタックの製造方法。
PCT/JP2020/021529 2019-06-13 2020-06-01 電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法 WO2020250722A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021526002A JPWO2020250722A1 (ja) 2019-06-13 2020-06-01
CN202080020737.3A CN113632270B9 (zh) 2019-06-13 2020-06-01 电化学单元组件、电化学单元堆、电化学单元组件的制造方法和电化学单元堆的制造方法
EP20822667.0A EP3985764A4 (en) 2019-06-13 2020-06-01 ELECTROCHEMICAL CELL UNIT, ELECTROCHEMICAL CELL STACK, METHOD OF MAKING AN ELECTROCHEMICAL CELL UNIT, AND METHOD OF MAKING AN ELECTROCHEMICAL CELL STACK
US17/511,608 US20220052352A1 (en) 2019-06-13 2021-10-27 Electrochemical cell unit, electrochemical cell stack, method for producing electrochemical cell unit, and method for producing electrochemical cell stack

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-109995 2019-06-13
JP2019109995 2019-06-13

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/511,608 Continuation US20220052352A1 (en) 2019-06-13 2021-10-27 Electrochemical cell unit, electrochemical cell stack, method for producing electrochemical cell unit, and method for producing electrochemical cell stack

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020250722A1 true WO2020250722A1 (ja) 2020-12-17

Family

ID=73781982

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/021529 WO2020250722A1 (ja) 2019-06-13 2020-06-01 電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220052352A1 (ja)
EP (1) EP3985764A4 (ja)
JP (1) JPWO2020250722A1 (ja)
WO (1) WO2020250722A1 (ja)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5119257B2 (ja) 1971-08-07 1976-06-16
JPH1012252A (ja) * 1996-06-26 1998-01-16 Fujikura Ltd 固体電解質型燃料電池とその製造方法
JP4018922B2 (ja) 2002-03-27 2007-12-05 京セラ株式会社 燃料電池
JP2009277411A (ja) * 2008-05-13 2009-11-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池の作製方法
JP2011129309A (ja) * 2009-12-16 2011-06-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP5368333B2 (ja) 2010-01-26 2013-12-18 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形燃料電池
JP2016195029A (ja) * 2015-03-31 2016-11-17 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
JP2018206764A (ja) * 2017-06-01 2018-12-27 日本碍子株式会社 端部集電部材、及びセルスタック装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4027836B2 (ja) * 2003-04-16 2007-12-26 東京瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池の作製方法
US20080038621A1 (en) * 2006-08-10 2008-02-14 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical devices

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5119257B2 (ja) 1971-08-07 1976-06-16
JPH1012252A (ja) * 1996-06-26 1998-01-16 Fujikura Ltd 固体電解質型燃料電池とその製造方法
JP4018922B2 (ja) 2002-03-27 2007-12-05 京セラ株式会社 燃料電池
JP2009277411A (ja) * 2008-05-13 2009-11-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池の作製方法
JP2011129309A (ja) * 2009-12-16 2011-06-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP5368333B2 (ja) 2010-01-26 2013-12-18 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形燃料電池
JP2016195029A (ja) * 2015-03-31 2016-11-17 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
JP2018206764A (ja) * 2017-06-01 2018-12-27 日本碍子株式会社 端部集電部材、及びセルスタック装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3985764A4

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2020250722A1 (ja) 2020-12-17
EP3985764A1 (en) 2022-04-20
CN113632270A (zh) 2021-11-09
US20220052352A1 (en) 2022-02-17
CN113632270B (zh) 2024-06-07
EP3985764A4 (en) 2022-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6868051B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7236675B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル、及び電気化学セル
JP2014049324A (ja) セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池
WO2020250722A1 (ja) 電気化学セルユニット、電気化学セルスタック、電気化学セルユニットの製造方法及び電気化学セルスタックの製造方法
JP2017107670A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2012124020A (ja) 固体電解質燃料電池
JP6756549B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
CN113632270B9 (zh) 电化学单元组件、电化学单元堆、电化学单元组件的制造方法和电化学单元堆的制造方法
JP6273233B2 (ja) 電気化学反応セルスタックの製造方法
JP6797150B2 (ja) 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法
JP6777669B2 (ja) 電気化学反応セルスタックの運転方法および電気化学反応システム
JP6773470B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP6773472B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2022017722A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2016207270A (ja) 燃料電池スタックおよび発電モジュール
JP2020170631A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP7236676B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル、及び電気化学セル
JP7071422B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP7244470B2 (ja) 燃料電池発電モジュール
JP5508364B2 (ja) インターコネクタおよび固体酸化物形燃料電池スタック
JP7169333B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP7159249B2 (ja) 電気化学反応セルスタックおよびｉｃ－単セル複合体
JP6893127B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2022017721A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2021140883A (ja) 電気化学反応セルスタック

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20822667

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021526002

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2020822667

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020822667

Country of ref document: EP

Effective date: 20220113