WO2021210231A1 - 電気化学セル装置 - Google Patents

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WO2021210231A1
WO2021210231A1 PCT/JP2021/001578 JP2021001578W WO2021210231A1 WO 2021210231 A1 WO2021210231 A1 WO 2021210231A1 JP 2021001578 W JP2021001578 W JP 2021001578W WO 2021210231 A1 WO2021210231 A1 WO 2021210231A1
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metal porous
porous sheet
main surface
current collector
electrochemical cell
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PCT/JP2021/001578
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昂真 沼田
真嶋　正利
光靖 小川
奈保 水原
陽平 野田
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住友電気工業株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Patent Document 1 International Publication No. 2019/24448 describes a fuel cell.
  • the fuel cell described in Patent Document 1 has a solid electrolyte layer, an anode and a cathode, and an anode-side current collector and a cathode-side current collector.
  • the anode and cathode sandwich a solid electrolyte layer (hereinafter, the solid electrolyte layer sandwiched between the anode and cathode is referred to as a "cell").
  • the anode-side current collector and the cathode-side current collector sandwich the cell.
  • the anode-side current collector and the cathode-side current collector are composed of a metal porous sheet made of a metal porous body having a skeleton having a three-dimensional network structure.
  • the electrochemical cell apparatus of the present disclosure has a first main surface, a cell having a second main surface opposite to the first main surface, and a third main surface facing the first main surface. It includes one current collector and a second current collector having a fourth main surface facing the second main surface.
  • the cell is curved convexly from the second main surface toward the first main surface.
  • the third main surface includes a recess at a position facing the central portion of the first main surface.
  • the fourth main surface includes a convex portion at a position facing the central portion of the second main surface.
  • Each of the first current collector and the second current collector is composed of at least one metal porous body sheet made of a metal porous body having a skeleton having a three-dimensional network structure.
  • the central portion of the first main surface includes a portion of the first main surface that maximizes the distance from the reference surface when the cell is arranged on the reference surface so that the second main surface faces the flat reference surface. I'm out.
  • the central portion of the second main surface includes a portion of the second main surface that maximizes the distance from the reference surface when the cell is arranged on the reference surface so that the second main surface faces the reference surface. ..
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the electrochemical cell device 100.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of the cell 10.
  • FIG. 2 is a plan view of the cell 10.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the warped shape of the cell 10.
  • FIG. 4 is a plan view of the current collector 20.
  • 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG.
  • FIG. 6 is a plan view of the current collector 30.
  • 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of FIG.
  • FIG. 8 is a plan view of the current collector 20 of the electrochemical cell device 200.
  • 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX of FIG.
  • FIG. 10 is a plan view of the current collector 30 of the electrochemical cell device 200.
  • 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the current collector 20 of the electrochemical cell device 300.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the current collector 30 of the electrochemical cell device 300.
  • the cell may be warped.
  • a gap is created between the cell and the current collector on the anode side and between the cell and the current collector on the cathode side (contact between the cell and the current collector deteriorates).
  • the present disclosure provides an electrochemical cell device capable of reducing the gap between a cell and a current collector. [Effect of this disclosure] According to the electrochemical cell apparatus of the present disclosure, it is possible to reduce the gap between the cell and the current collector.
  • the electrochemical cell device has a cell having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, and a third main surface facing the first main surface. It includes a first current collector having a main surface and a second current collector having a fourth main surface facing the second main surface.
  • the cell is curved convexly from the second main surface toward the first main surface.
  • the third main surface includes a recess at a position facing the central portion of the first main surface.
  • the fourth main surface includes a convex portion at a position facing the central portion of the second main surface.
  • Each of the first current collector and the second current collector is composed of at least one metal porous body sheet made of a metal porous body having a skeleton having a three-dimensional network structure.
  • the central portion of the first main surface includes a portion of the first main surface that maximizes the distance from the reference surface when the cell is arranged on the reference surface so that the second main surface faces the flat reference surface. I'm out.
  • the central portion of the second main surface includes a portion of the second main surface that maximizes the distance from the reference surface when the cell is arranged on the reference surface so that the second main surface faces the reference surface. ..
  • At least one metal porous sheet constituting the first current collector is a first metal porous sheet and a second metal porous sheet. May be good.
  • the first metal porous sheet and the second metal porous sheet may be arranged side by side in a plane orthogonal to the thickness direction of the first current collector.
  • the second metal porous sheet may be formed with a first through hole that penetrates the second metal porous sheet in the thickness direction at a position corresponding to the recess.
  • the first metal porous sheet may be arranged in the first through hole.
  • the thickness of the second metal porous sheet may be larger than the thickness of the first metal porous sheet.
  • the recess may be defined by the inner peripheral surface of the first through hole and the main surface of the first metal porous sheet.
  • the value obtained by subtracting the thickness of the first metal porous sheet from the thickness of the second metal porous sheet may be equal to the amount of warpage of the cell.
  • At least one metal porous sheet constituting the first current collector is a first metal porous sheet and a second metal porous sheet. May be good. Even if the first metal porous sheet and the second metal porous sheet are stacked so that the second metal porous sheet is located on the third main surface side in the thickness direction of the first current collector. good.
  • the second metal porous sheet may be formed with a first through hole that penetrates the second metal porous sheet in the thickness direction at a position corresponding to the recess.
  • At least one metal porous sheet constituting the second current collector is a third metal porous sheet and a fourth metal porous sheet. It may be a body sheet.
  • the third metal porous sheet and the fourth metal porous sheet may be arranged side by side in a plane orthogonal to the thickness direction of the second current collector.
  • the fourth metal porous sheet may be formed with a second through hole that penetrates the fourth metal porous sheet in the thickness direction at a position corresponding to the convex portion.
  • the third metal porous sheet may be arranged in the second through hole.
  • the thickness of the third metal porous sheet may be larger than the thickness of the fourth metal porous sheet.
  • the value obtained by subtracting the thickness of the fourth metal porous sheet from the thickness of the third metal porous sheet is equal to the amount of warpage of the cell. May be good.
  • At least one metal porous sheet constituting the second current collector is a third metal porous sheet and a fourth metal porous sheet. It may be a body sheet. Even if the third metal porous sheet and the fourth metal porous sheet are stacked so that the fourth metal porous sheet is located on the fourth main surface side in the thickness direction of the second current collector. good.
  • the fourth metal porous sheet may form a convex portion.
  • the first current collector may be the cathode side current collector
  • the second current collector is the anode side current collector. May be good.
  • each skeleton of at least one metal porous sheet constituting the first current collector may contain nickel and cobalt.
  • the basis weight of each of at least one metal porous body sheet constituting the first current collector may be 900 g / m 2 or less.
  • each skeleton of at least one metal porous sheet constituting the second current collector may contain nickel.
  • the basis weight of each of at least one metal porous sheet constituting the second current collector may be 1000 g / m 2 or less.
  • the value obtained by dividing the amount of warpage of the cell by the maximum width of the cell in a plan view may be 1/1000 or more.
  • the electrochemical cell device according to (1) to (11) above may be a solid oxide fuel cell.
  • the output voltage in the solid oxide fuel cell can be increased.
  • the electrochemical cell apparatus according to (1) to (11) above may be a solid oxide type electrolytic cell.
  • the electrolytic voltage in the solid oxide type electrolytic cell can be lowered.
  • electrochemical cell device 100 the configuration of the electrochemical cell device (hereinafter referred to as “electrochemical cell device 100”) according to the first embodiment will be described.
  • the electrochemical cell device 100 is a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell).
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • the electrochemical cell device 100 may be a solid oxide fuel cell (SOEC: Solid Oxide Electrolysis Cell), but in the following, SOFC will be described as an example of the electrochemical cell device 100.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of the electrochemical cell device 100.
  • FIG. 1A shows the structure of a single cell included in the electrochemical cell device 100.
  • the electrochemical cell device 100 is configured by stacking a plurality of single cell structures. Further, in FIG. 1A, the warp of the cell 10 and the concave portion 20c and the convex portion 30c, which will be described later, are not shown.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of the cell 10. As shown in FIGS. 1A and 1B, the electrochemical cell device 100 includes a cell 10, a current collector 20 and a current collector 30, and an interconnector 40 and an interconnector 50.
  • the cell 10 has a main surface 10a and a main surface 10b.
  • the main surface 10b is the opposite surface of the main surface 10a.
  • the cell 10 has a solid electrolyte layer 11, a cathode 12, an anode 13, and an intermediate layer 14.
  • the solid electrolyte layer 11 is a layer formed of the solid electrolyte.
  • the solid electrolyte layer 11 is formed of an oxide (YSZ) of zirconium (Zr) doped with yttrium (Y).
  • the cathode 12 is formed of, for example, LSC (an oxide of lanthanum (La) strontium (Sr) cobalt (Co)).
  • the anode 13 is formed, for example, by a mixture of YSZ and a nickel oxide (Ni 2 O).
  • the intermediate layer 14 is formed of, for example, an oxide (GDC) of cerium (Ce) doped with gadolinium (Gd).
  • the cathode 12 constitutes the main surface 10a of the cell 10.
  • the anode 13 constitutes the main surface 10b of the cell 10.
  • the solid electrolyte layer 11 is arranged between the cathode 12 and the anode 13.
  • An intermediate layer 14 is arranged between the solid electrolyte layer 11 and the cathode 12. The solid electrolyte layer 11 and the anode 13 are in contact with each other.
  • FIG. 2 is a plan view of the cell 10. As shown in FIG. 2, the cell 10 has a circular shape in a plan view. However, the planar shape of the cell 10 is not limited to this. The cell 10 may be rectangular in a plan view.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the warped shape of the cell 10.
  • cell 10 is warped.
  • the cell 10 is curved convexly from the main surface 10b side toward the main surface 10a side.
  • the amount of warpage of the cell 10 (hereinafter referred to as “warp amount WA”) is, for example, 100 ⁇ m or more.
  • the amount of warpage WA may be 1000 ⁇ m or more.
  • the amount of warpage WA is measured by the following method.
  • the apex P is located at the central portion of the cell 10 (the central portion of the main surface 10a) in a plan view.
  • Third, the thickness of the cell 10 (hereinafter referred to as "thickness T”) is subtracted from the distance L. As a result, the amount of warpage WA is measured.
  • the maximum width of the cell 10 in a plan view is defined as a width W max (see FIG. 2).
  • the value obtained by dividing the warp amount WA by the width W max is, for example, 1/1000 or more.
  • the value obtained by dividing the warp amount WA by the width W max may be 1/100 or more.
  • the width W max is equal to the diameter of the circle when the planar shape of the cell 10 is circular.
  • the width W max is equal to the diagonal length of the rectangle.
  • the current collector 20 is arranged on the main surface 10a, and the current collector 30 is arranged on the main surface 10b. From another point of view, the cell 10 is sandwiched between the current collector 20 and the current collector 30.
  • the current collector 20 is a cathode side current collector, and the current collector 30 is an anode side current collector.
  • the current collector 20 has a main surface 20a and a main surface 20b.
  • the main surface 20a faces the main surface 10a.
  • the main surface 20b is the opposite surface of the main surface 20a.
  • FIG. 4 is a plan view of the current collector 20.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG.
  • the main surface 20a has a recess 20c as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the main surface 20a is recessed on the main surface 20b side in the recess 20c.
  • the recess 20c is arranged at a position facing the central portion of the main surface 10a.
  • the current collector 20 is composed of a metal porous body sheet 21 and a metal porous body sheet 22.
  • the metal porous sheet 21 and the metal porous sheet 22 are formed of a metal porous body having a skeleton having a three-dimensional network structure.
  • the skeleton of the metal porous body constituting the metal porous body sheet 21 and the metal porous body sheet 22 contains, for example, nickel (Ni) and cobalt.
  • the basis weight of the metal porous sheet 21 and the metal porous sheet 22 is preferably 900 g / m 2 or less.
  • the amount of the metal porous sheet 21 (metal porous sheet 22) is the weight of the metal porous sheet 21 (metal porous sheet 22) as the area of the main surface of the metal porous sheet 21 (metal porous sheet 22). It is the value divided.
  • the current collector 20 has a circular shape in a plan view.
  • the metal porous sheet 21 has a circular shape in a plan view.
  • the metal porous sheet 22 has an annular shape in a plan view. That is, the metal porous sheet 22 is formed with a through hole 22a that penetrates the metal porous sheet 22 in the thickness direction.
  • the through hole 22a is formed at a position corresponding to the recess 20c.
  • the thickness of the metal porous sheet 22 (hereinafter referred to as “thickness T2”) is larger than the thickness of the metal porous sheet 21 (hereinafter referred to as “thickness T1”).
  • the metal porous sheet 21 and the metal porous sheet 22 are arranged side by side (arranged without being overlapped) in a plane orthogonal to the thickness direction of the current collector 20.
  • the metal porous sheet 21 is arranged in the through hole 22a. Therefore, the recess 20c is formed by the metal porous sheet 21 and the through hole 22a.
  • the current collector 30 has a main surface 30a and a main surface 30b.
  • the main surface 30a faces the main surface 10b.
  • the main surface 30b is the opposite surface of the main surface 30a.
  • FIG. 6 is a plan view of the current collector 30.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of FIG.
  • the main surface 30a has a convex portion 30c.
  • the main surface 30a projects on the convex portion 30c on the opposite side of the main surface 30b.
  • the convex portion 30c is arranged at a position facing the central portion of the main surface 10b.
  • the current collector 30 is composed of a metal porous body sheet 31 and a metal porous body sheet 32.
  • the metal porous body sheet 31 and the metal porous body sheet 32 are formed of a metal porous body having a skeleton having a three-dimensional network structure.
  • the skeleton of the metal porous body constituting the metal porous body sheet 31 and the metal porous body sheet 32 contains, for example, nickel.
  • the basis weight of the metal porous sheet 31 and the metal porous sheet 32 is preferably 1000 g / m 2 or less.
  • the amount of the metal porous sheet 31 (metal porous sheet 32) is the weight of the metal porous sheet 31 (metal porous sheet 32) as the area of the main surface of the metal porous sheet 31 (metal porous sheet 32). It is the value divided.
  • the current collector 30 has a circular shape in a plan view.
  • the metal porous sheet 31 has a circular shape in a plan view.
  • the metal porous sheet 32 has an annular shape in a plan view. That is, the metal porous sheet 32 is formed with a through hole 32a that penetrates the metal porous sheet 32 in the thickness direction.
  • the through hole 32a is formed at a position corresponding to the convex portion 30c.
  • the thickness of the metal porous sheet 31 (hereinafter referred to as “thickness T3”) is larger than the thickness of the metal porous sheet 32 (hereinafter referred to as “thickness T4").
  • the metal porous body sheet 31 and the metal porous body sheet 32 are arranged side by side (arranged without being overlapped) in a plane orthogonal to the thickness direction of the current collector 30.
  • the metal porous sheet 31 is arranged in the through hole 32a. Therefore, the convex portion 30c is formed by the metal porous body sheet 31.
  • the value obtained by subtracting the thickness T1 from the thickness T2 is preferably equal to the warp amount WA.
  • the value obtained by subtracting the thickness T4 from the thickness T3 is preferably equal to the warp amount WA. If the value obtained by subtracting the thickness T1 from the thickness T2 is within the range of 0.95 times or more and 1.05 times or less of the warp amount WA, "the value obtained by subtracting the thickness T1 from the thickness T2 is the warp amount". If it is included in “equal to WA” and the value obtained by subtracting the thickness T4 from the thickness T3 is within the range of 0.95 times or more and 1.05 times or less of the warp amount WA, "thickness T3 to thickness T4" The subtracted value shall be included in "equal to the warpage amount WA".
  • the metal porous sheet 22 may be concentrically divided into a plurality of metal porous sheets. In this case, the metal porous sheet arranged on the outside is thicker.
  • the metal porous sheet 32 may be concentrically divided into a plurality of metal porous sheets. In this case, the metal porous sheet arranged on the outside is thinner.
  • the interconnector 40 is arranged on the main surface 20b, and the interconnector 50 is arranged on the main surface 30b. From another point of view, the cell 10, the current collector 20, and the current collector 30 are sandwiched by the interconnector 40 and the interconnector 50. A groove 41 is formed on the main surface of the interconnector 40 on the current collector 20 side, and a groove 51 is formed on the main surface of the interconnector 50 on the current collector 30 side.
  • the interconnector 40 and the interconnector 50 are made of a conductive material.
  • the effect of the electrochemical cell device 100 will be described below.
  • the cell 10 is along a convex shape from the main surface 10b toward the main surface 10a, when the main surface 20a and the main surface 30a are flat, the main surface 10a and the main surface 20a are combined. A gap is created between the main surface 10b and the main surface 30a.
  • the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 20 and the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 30 increase, and the output voltage from the electrochemical cell device 100 decreases. It ends up.
  • the main surface 20a since the main surface 20a has the concave portion 20c and the main surface 30a has the convex portion 30c, the main surface 20a easily follows the shape of the main surface 10a. At the same time, as a result of the main surface 30a easily following the shape of the main surface 10b, the gaps between the main surface 10a and the main surface 20a and between the main surface 10b and the main surface 30a are reduced.
  • the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 20 and the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 30 are reduced, and the electrochemical cell device 100 The output voltage from can be improved.
  • the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 20 and the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 30 are reduced, resulting in electricity.
  • the electrolytic voltage in the chemical cell device 100 can be lowered.
  • the metal porous body sheet 21 and the metal porous body sheet 22 contain nickel and cobalt, and the metal porous body sheet 21 and the metal porous body sheet 22 have a grain size of 900 g / m. When it is 2 or less, the deformability of the metal porous sheet 21 and the metal porous sheet 22 can be ensured, so that the main surface 20a can more easily follow the shape of the main surface 10a.
  • the skeleton of the metal porous body of the metal porous body sheet 31 and the metal porous body sheet 32 contains nickel, and the amount of the metal porous body of the metal porous body sheet 31 and the metal porous body sheet 32 is 900 g / m 2 or less. In this case, the deformability of the metal porous sheet 31 and the metal porous sheet 32 can be ensured, so that the main surface 30a can more easily follow the shape of the main surface 10b.
  • Samples 1 to 6 The electrochemical cells of Samples 1 to 6 were provided for the power generation test.
  • the shapes of the cell 10, the current collector 20, and the current collector 30 were as shown in Table 1.
  • the thickness and diameter of the cell 10 were 0.4 mm and 100 mm, respectively.
  • the amount of warpage WA was set to 100 ⁇ m.
  • the amount of warpage WA was set to 300 ⁇ m.
  • the amount of warpage WA was set to 1000 ⁇ m.
  • the amount of warpage WA was 2000 ⁇ m.
  • a metal porous sheet 21 having a thickness of 400 ⁇ m and a metal porous sheet 22 having a thickness of 500 ⁇ m are used as the current collector 20, and a metal porous sheet 31 having a thickness of 500 ⁇ m is used as the current collector 30. And a metal porous sheet 32 having a thickness of 400 ⁇ m was used.
  • a metal porous sheet 21 having a thickness of 200 ⁇ m and a metal porous sheet 22 having a thickness of 500 ⁇ m are used as the current collector 20, and a metal porous sheet 31 having a thickness of 500 ⁇ m is used as the current collector 30. And a metal porous sheet 32 having a thickness of 200 ⁇ m was used.
  • a metal porous sheet 21 having a thickness of 100 ⁇ m and a metal porous sheet 22 having a thickness of 1100 ⁇ m are used as the current collector 20, and a metal porous sheet 31 having a thickness of 1100 ⁇ m is used as the current collector 30. And a metal porous sheet 32 having a thickness of 100 ⁇ m was used.
  • a metal porous sheet 21 having a thickness of 100 ⁇ m and a metal porous sheet 22 having a thickness of 2100 ⁇ m are used as the current collector 20, and a metal porous sheet 31 having a thickness of 2100 ⁇ m is used as the current collector 30. And a metal porous sheet 32 having a thickness of 100 ⁇ m was used.
  • Table 2 shows the initial values of the output voltage between the anode and the cathode when a current of 0.5 A / cm 2 flows between the anode and the cathode at 750 ° C.
  • the output voltage of sample 1 was larger than the output voltage of sample 5.
  • the output voltage of sample 3 was larger than the output voltage of sample 6.
  • the output voltage of sample 6 was smaller than the output voltage of sample 5. This is because the warp amount WA in the sample 6 is larger than the warp amount WA in the sample 5, so that the gap between the cell 10 and the current collector 20 and the gap between the cell 10 and the current collector 30 increase. It is considered that this is because the contact electric resistance between the cell 10 and the current collector 20 and the contact electric resistance between the cell 10 and the current collector 30 have increased.
  • the cell 10 and the current collector are increased by increasing the warp amount WA while matching the value obtained by subtracting the thickness T1 from the thickness T2 and the value obtained by subtracting the thickness T4 from the thickness T3 with the warp amount WA.
  • electrochemical cell device 200 the configuration of the electrochemical cell device (hereinafter referred to as “electrochemical cell device 200”) according to the second embodiment will be described.
  • electrochemical cell device 200 the points different from the configuration of the electrochemical cell device 100 will be mainly described, and the duplicated description will not be repeated.
  • the electrochemical cell device 200 has a cell 10, a current collector 20 and a current collector 30, and an interconnector 40 and an interconnector 50.
  • the cell 10 is curved convexly from the main surface 10b toward the main surface 10a.
  • the main surface 20a has a concave portion 20c, and the main surface 30a has a convex portion 30c.
  • the configuration of the electrochemical cell device 200 is common to the configuration of the electrochemical cell device 100.
  • FIG. 8 is a plan view of the current collector 20 of the electrochemical cell device 200.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX of FIG.
  • the current collector 20 has a metal porous body sheet 23 and a metal porous body sheet 24.
  • the metal porous sheet 23 is circular in a plan view, for example.
  • the metal porous sheet 24 is annular in a plan view, for example.
  • the metal porous sheet 24 is formed with a through hole 24a that penetrates the metal porous sheet 24 in the thickness direction.
  • the through hole 24a is arranged at a position corresponding to the recess 20c.
  • the metal porous body sheet 23 and the metal porous body sheet 24 are arranged so as to be overlapped with each other in the thickness direction of the current collector 20.
  • the metal porous sheet 24 is arranged on the main surface 20a side. As a result, the recess 20c is formed by the through hole 24a and the metal porous sheet 23.
  • FIG. 10 is a plan view of the current collector 30 of the electrochemical cell device 200.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG.
  • the current collector 30 has a metal porous body sheet 33 and a metal porous body sheet 34.
  • the metal porous sheet 33 and the metal porous sheet 34 are, for example, circular in a plan view.
  • the diameter of the metal porous sheet 33 is larger than the diameter of the metal porous sheet 34.
  • the metal porous body sheet 33 and the metal porous body sheet 34 are stacked in the thickness direction of the current collector 30.
  • the metal porous sheet 34 is arranged on the main surface 30a side so as to correspond to the position of the convex portion 30c. As a result, the convex portion 30c is formed by the metal porous body sheet 34.
  • the electrochemical cell device 200 Similar to the electrochemical cell device 100, the electrochemical cell device 200 also has a main surface 20a having a concave portion 20c and a main surface 30a having a convex portion 30c, so that the main surface 20a is a main surface 10a. It becomes easier to follow the shape and the main surface 30a easily follows the shape of the main surface 10b, and the gap between the main surface 10a and the main surface 20a and between the main surface 10b and the main surface 30a is reduced. As a result, according to the electrochemical cell device 200, the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 20 and the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 30 are reduced, and the electrochemical cell device The output voltage from 100 can be improved.
  • electrochemical cell device 300 the configuration of the electrochemical cell device (hereinafter referred to as “electrochemical cell device 300”) according to the third embodiment will be described.
  • the points different from the configuration of the electrochemical cell device 100 will be mainly described, and the duplicated description will not be repeated.
  • the electrochemical cell device 300 has a cell 10, a current collector 20, a current collector 30, and an interconnector 40 and an interconnector 50.
  • the cell 10 is curved convexly from the main surface 10b toward the main surface 10a.
  • the main surface 20a has a concave portion 20c, and the main surface 30a has a convex portion 30c.
  • the configuration of the electrochemical cell device 300 is common to the configuration of the electrochemical cell device 100.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the current collector 20 of the electrochemical cell device 300.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the current collector 30 of the electrochemical cell device 300.
  • the current collector 20 and the current collector 30 are each composed of one metal porous body sheet (metal porous body sheet 25 and metal porous body sheet 35), respectively.
  • the concave portion 20c of the current collector 20 (metal porous sheet 25) and the convex portion 30c of the current collector 30 (metal porous sheet 35) can be formed by, for example, pressing.
  • the electrochemical cell device 300 Similar to the electrochemical cell device 100, the electrochemical cell device 300 also has a main surface 20a having a concave portion 20c and a main surface 30a having a convex portion 30c, so that the main surface 20a is a main surface 10a. It becomes easier to follow the shape and the main surface 30a easily follows the shape of the main surface 10b, and the gap between the main surface 10a and the main surface 20a and between the main surface 10b and the main surface 30a is reduced. As a result, according to the electrochemical cell device 300, the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 20 and the contact electrical resistance value between the cell 10 and the current collector 30 are reduced, and the electrochemical cell device The output voltage from 100 can be improved.

Abstract

電気化学セル装置は、第１主面と第１主面の反対面である第２主面とを有するセルと、第１主面と対向している第３主面を有する第１集電体と、第２主面と対向している第４主面を有する第２集電体とを備える。セルは、第２主面から第１主面に向かって凸に反っている。第３主面は、第１主面の中央部と対向している位置に凹部を含む。第４主面は、第２主面の中央部と対向している位置に凸部を含む。第１集電体及び第２集電体の各々は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体からなる少なくとも１枚の金属多孔体シートにより構成されている。第１主面の中央部は、第２主面が平坦な基準面と対向するようにセルを基準面上に配置した際に基準面からの距離が最も大きくなる第１主面の部分を含んでいる。第２主面の中央部は、第２主面が基準面と対向するようにセルを基準面上に配置した際に基準面からの距離が最も大きくなる第２主面の部分を含んでいる。

Description

電気化学セル装置
　本開示は、電気化学セル装置に関する。本出願は、２０２０年４月１５日に出願した日本特許出願である特願２０２０－０７２９１９号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
　特許文献１（国際公開第２０１９／２４４４８０号）には燃料電池が記載されている。特許文献１に記載の燃料電池は、固体電解質層と、アノード及びカソードと、アノード側集電体及びカソード側集電体とを有している。
　アノード及びカソードは、固体電解質層を挟み込んでいる（以下においては、アノード及びカソードに挟み込まれた固体電解質層を「セル」という）。アノード側集電体及びカソード側集電体は、セルを挟み込んでいる。アノード側集電体及びカソード側集電体は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体からなる金属多孔体シートにより構成されている。
国際公開第２０１９／２４４４８０号
　本開示の電気化学セル装置は、第１主面と、第１主面の反対面である第２主面とを有するセルと、第１主面と対向している第３主面を有する第１集電体と、第２主面と対向している第４主面を有する第２集電体とを備える。セルは、第２主面から第１主面に向かって凸に反っている。第３主面は、第１主面の中央部と対向している位置に凹部を含む。第４主面は、第２主面の中央部と対向している位置に凸部を含む。第１集電体及び第２集電体の各々は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体からなる少なくとも１枚の金属多孔体シートにより構成されている。第１主面の中央部は、第２主面が平坦な基準面と対向するようにセルを基準面上に配置した際に基準面からの距離が最も大きくなる第１主面の部分を含んでいる。第２主面の中央部は、第２主面が基準面と対向するようにセルを基準面上に配置した際に基準面からの距離が最も大きくなる第２主面の部分を含んでいる。
図１Ａは、電気化学セル装置１００の断面図である。 図１Ｂは、セル１０の拡大断面図である。 図２は、図２は、セル１０の平面図である。 図３は、図３は、セル１０の反り形状を示す模式的な断面図である。 図４は、図４は、集電体２０の平面図である。 図５は、図５は、図４のＶ－Ｖにおける断面図である。 図６は、図６は、集電体３０の平面図である。 図７は、図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。 図８は、図８は、電気化学セル装置２００の集電体２０の平面図である。 図９は、図９は、図８のＩＸ－ＩＸにおける断面図である。 図１０は、図１０は、電気化学セル装置２００の集電体３０の平面図である。 図１１は、図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩにおける断面図である。 図１２は、図１２は、電気化学セル装置３００の集電体２０の断面図である。 図１３は、図１３は、電気化学セル装置３００の集電体３０の断面図である。
[本開示が解決しようとする課題]
　特許文献１に記載の燃料電池においては、セルが反っていることがある。セルが反っている場合、セルとアノード側集電体との間及びセルとカソード側集電体との間に隙間ができる（セルと集電体との接触性が悪化する）。
　本開示は、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能な電気化学セル装置を提供するものである。
[本開示の効果]
　本開示の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　［本開示の実施形態の説明］
　まず、本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）一実施形態に係る電気化学セル装置は、第１主面と、第１主面の反対面である第２主面とを有するセルと、第１主面と対向している第３主面を有する第１集電体と、第２主面と対向している第４主面を有する第２集電体とを備える。セルは、第２主面から第１主面に向かって凸に反っている。第３主面は、第１主面の中央部と対向している位置に凹部を含む。第４主面は、第２主面の中央部と対向している位置に凸部を含む。第１集電体及び第２集電体の各々は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体からなる少なくとも１枚の金属多孔体シートにより構成されている。第１主面の中央部は、第２主面が平坦な基準面と対向するようにセルを基準面上に配置した際に基準面からの距離が最も大きくなる第１主面の部分を含んでいる。第２主面の中央部は、第２主面が基準面と対向するようにセルを基準面上に配置した際に基準面からの距離が最も大きくなる第２主面の部分を含んでいる。
　上記（１）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（２）上記（１）の電気化学セル装置において、第１集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第１金属多孔体シート及び第２金属多孔体シートであってもよい。第１金属多孔体シート及び第２金属多孔体シートは、第１集電体の厚さ方向に直交している面内において並べて配置されていてもよい。第２金属多孔体シートには、凹部に対応する位置において第２金属多孔体シートを厚さ方向に貫通する第１貫通穴が形成されていてもよい。第１金属多孔体シートは、第１貫通穴内に配置されていてもよい。第２金属多孔体シートの厚さは、第１金属多孔体シートの厚さよりも大きくてもよい。凹部は、第１貫通穴の内周面及び第１金属多孔体シートの主面により画されていてもよい。
　上記（２）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（３）上記（２）の電気化学セル装置において、第２金属多孔体シートの厚さから第１金属多孔体シートの厚さを減じた値はセルの反り量に等しくてもよい。
　上記（３）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間をさらに減少させることが可能となる。
　（４）上記（１）の電気化学セル装置において、第１集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第１金属多孔体シート及び第２金属多孔体シートであってもよい。第１金属多孔体シート及び第２金属多孔体シートは、第１集電体の厚さ方向において、第２金属多孔体シートが第３主面側に位置するように重ねて配置されていてもよい。第２金属多孔体シートには、凹部に対応する位置において第２金属多孔体シートを厚さ方向に貫通する第１貫通穴が形成されていてもよい。
　（５）上記（１）から上記（４）の電気化学セル装置において、第２集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第３金属多孔体シート及び第４金属多孔体シートであってもよい。第３金属多孔体シート及び第４金属多孔体シートは、第２集電体の厚さ方向に直交している面内において並べて配置されていてもよい。第４金属多孔体シートには、凸部に対応する位置において第４金属多孔体シートを厚さ方向に貫通する第２貫通穴が形成されていてもよい。第３金属多孔体シートは、第２貫通穴内に配置されていてもよい。第３金属多孔体シートの厚さは、第４金属多孔体シートの厚さよりも大きくてもよい。
　上記（５）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（６）上記（１）から上記（４）の電気化学セル装置において、第３金属多孔体シートの厚さから第４金属多孔体シートの厚さを減じた値はセルの反り量に等しくてもよい。
　上記（６）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間をさらに減少させることが可能となる。
　（７）上記（１）から上記（４）の電気化学セル装置において、第２集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第３金属多孔体シート及び第４金属多孔体シートであってもよい。第３金属多孔体シート及び第４金属多孔体シートは、第２集電体の厚さ方向において、第４金属多孔体シートが第４主面側に位置するように重ねて配置されていてもよい。第４金属多孔体シートは、凸部を構成していてもよい。
　上記（７）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（８）上記（１）から上記（７）の電気化学セル装置において、第１集電体はカソード側集電体であってもよく、第２集電体はアノード側集電体であってもよい。
　上記（８）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（９）上記（８）の電気化学セル装置において、第１集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の骨格は、ニッケル及びコバルトを含有していてもよい。第１集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の目付量は、９００ｇ／ｍ２以下であってもよい。
　上記（９）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（１０）上記（８）の電気化学セル装置において、第２集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の骨格は、ニッケルを含有していてもよい。第２集電体を構成している少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の目付量は、１０００ｇ／ｍ２以下であってもよい。
　（１１）上記（１）から上記（１０）の電気化学セル装置において、セルの反り量を平面視におけるセルの最大幅で除した値は、１／１０００以上であってもよい。
　上記（１１）の電気化学セル装置によると、セルの反りが大きい場合であっても、セルと集電体との間の隙間を減少させることが可能となる。
　（１２）上記（１）から上記（１１）の電気化学セル装置は、固体酸化物形燃料電池であってもよい。
　上記（１２）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の接触性が改善される結果、固体酸化物形燃料電池における出力電圧を高めることができる。
　（１３）上記（１）から上記（１１）の電気化学セル装置は、固体酸化物形電解セルであってもよい。
　上記（１３）の電気化学セル装置によると、セルと集電体との間の接触性が改善される結果、固体酸化物形電解セルにおける電解電圧を下げることができる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　次に、本開示の実施形態を、図面を参照しながら説明する。ここでは、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。
　（第１実施形態）
　以下に、第１実施形態に係る電気化学セル装置（以下「電気化学セル装置１００」とする）の構成を説明する。
　電気化学セル装置１００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）である。電気化学セル装置１００は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ　Ｃｅｌｌ）であってもよいが、以下においては、ＳＯＦＣを電気化学セル装置１００の例として説明する。
　図１Ａは、電気化学セル装置１００の断面図である。図１Ａには、電気化学セル装置１００に含まれる単セルの構造が示されている。電気化学セル装置１００は、単セル構造を複数積層することにより構成されている。また、図１Ａにおいては、後述するセル１０の反り並びに凹部２０ｃ及び凸部３０ｃの図示が省略されている。図１Ｂは、セル１０の拡大断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、電気化学セル装置１００は、セル１０と、集電体２０及び集電体３０と、インターコネクタ４０及びインターコネクタ５０とを有している。
　セル１０は、主面１０ａと、主面１０ｂとを有している。主面１０ｂは、主面１０ａの反対面である。セル１０は、固体電解質層１１と、カソード１２と、アノード１３と、中間層１４とを有している。
　固体電解質層１１は、固体電解質により形成されている層である。例えば、固体電解質層１１は、イットリウム（Ｙ）がドープされたジルコニウム（Ｚｒ）の酸化物（ＹＳＺ）により形成されている。カソード１２は、例えば、ＬＳＣ（ランタン（Ｌａ）ストロンチウム（Ｓｒ）コバルト（Ｃｏ）の酸化物）により形成されている。アノード１３は、例えば、ＹＳＺとニッケルの酸化物（Ｎｉ２Ｏ）との混合体により形成されている。中間層１４は、例えば、ガドリウム（Ｇｄ）がドープされたセリウム（Ｃｅ）の酸化物（ＧＤＣ）により形成されている。
　カソード１２は、セル１０の主面１０ａを構成している。アノード１３は、セル１０の主面１０ｂを構成している。固体電解質層１１は、カソード１２とアノード１３との間に配置されている。固体電解質層１１とカソード１２との間には、中間層１４が配置されている。固体電解質層１１とアノード１３とは、互いに接している。
　図２は、セル１０の平面図である。図２に示されるように、セル１０は、平面視において、円形になっている。但し、セル１０の平面形状は、これに限られない。セル１０は、平面視において、矩形になっていてもよい。
　図３は、セル１０の反り形状を示す模式的な断面図である。図３に示されるように、セル１０は、反っている。例えば、セル１０は、主面１０ｂ側から主面１０ａ側に向かって凸に反っている。セル１０の反り量（以下「反り量ＷＡ」とする）は、例えば、１００μｍ以上である。反り量ＷＡは、１０００μｍ以上であってもよい。
　反り量ＷＡは、以下の方法により測定される。第１に、セル１０が、平坦な基準面上に配置される。第２に、キーエンス社製のＬＫ－Ｇ３５により基準面から最も離れた主面１０ａ上の位置（以下「頂点Ｐ」とする）と基準面との間の距離（以下「距離Ｌ」とする）が測定される。頂点Ｐは、平面視におけるセル１０の中央部（主面１０ａの中央部）に位置している。第３に、距離Ｌからセル１０の厚さ（以下「厚さＴ」とする）を減じる。これにより、反り量ＷＡが測定される。
　平面視におけるセル１０の最大幅を、幅Ｗｍａｘ（図２参照）とする。反り量ＷＡを幅Ｗｍａｘで除した値は、例えば、１／１０００以上である。反り量ＷＡを幅Ｗｍａｘで除した値は、１／１００以上であってもよい。幅Ｗｍａｘは、セル１０の平面形状が円形である場合には、当該円形の直径に等しい。セルの平面形状が矩形である場合、幅Ｗｍａｘは、当該矩形の対角線の長さに等しい。
　図１Ａに示されるように、集電体２０は主面１０ａ上に配置されており、集電体３０は主面１０ｂ上に配置されている。このことを別の観点から言えば、セル１０は、集電体２０と集電体３０とにより挟み込まれている。集電体２０はカソード側集電体であり、集電体３０はアノード側集電体である。
　集電体２０は、主面２０ａと、主面２０ｂとを有している。主面２０ａは、主面１０ａと対向している。主面２０ｂは、主面２０ａの反対面である。図４は、集電体２０の平面図である。図５は、図４のＶ－Ｖにおける断面図である。主面２０ａは、図４及び図５に示されるように、凹部２０ｃを有している。主面２０ａは、凹部２０ｃにおいて、主面２０ｂ側に窪んでいる。凹部２０ｃは、主面１０ａの中央部と対向する位置に配置されている。
　集電体２０は、金属多孔体シート２１と、金属多孔体シート２２とにより構成されている。金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体により形成されている。
　金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２を構成している金属多孔体の骨格は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルトを含有している。金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２の目付量は、好ましくは、９００ｇ／ｍ２以下である。金属多孔体シート２１（金属多孔体シート２２）の目付量は、金属多孔体シート２１（金属多孔体シート２２）の重量を金属多孔体シート２１（金属多孔体シート２２）の主面の面積で除した値である。
　集電体２０は、平面視において円形になっている。金属多孔体シート２１は、平面視において円形になっている。金属多孔体シート２２は、平面視において環状になっている。すなわち、金属多孔体シート２２には、金属多孔体シート２２を厚さ方向に貫通している貫通穴２２ａが形成されている。貫通穴２２ａは、凹部２０ｃに対応する位置に形成されている。
　金属多孔体シート２２の厚さ（以下「厚さＴ２」とする）は、金属多孔体シート２１の厚さ（以下「厚さＴ１」とする）よりも大きい。金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２は、集電体２０の厚さ方向に直交する面内において、並べて配置（重ねられずに配置）されている。金属多孔体シート２１は、貫通穴２２ａ内に配置されている。そのため、金属多孔体シート２１と貫通穴２２ａとにより、凹部２０ｃが構成されていることになる。
　集電体３０は、主面３０ａと、主面３０ｂとを有している。主面３０ａは、主面１０ｂと対向している。主面３０ｂは、主面３０ａの反対面である。図６は、集電体３０の平面図である。図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面図である。図６及び図７に示されるように、主面３０ａは、凸部３０ｃを有している。主面３０ａは、凸部３０ｃにおいて主面３０ｂとは反対側に突出している。凸部３０ｃは、主面１０ｂの中央部と対向する位置に配置されている。
　集電体３０は、金属多孔体シート３１と、金属多孔体シート３２とにより構成されている。金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体により形成されている。
　金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２を構成している金属多孔体の骨格は、例えば、ニッケルを含有している。金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２の目付量は、好ましくは、１０００ｇ／ｍ２以下である。金属多孔体シート３１（金属多孔体シート３２）の目付量は、金属多孔体シート３１（金属多孔体シート３２）の重量を金属多孔体シート３１（金属多孔体シート３２）の主面の面積で除した値である。
　集電体３０は、平面視において円形になっている。金属多孔体シート３１は、平面視において円形になっている。金属多孔体シート３２は、平面視において環状になっている。すなわち、金属多孔体シート３２には、金属多孔体シート３２を厚さ方向に貫通している貫通穴３２ａが形成されている。貫通穴３２ａは、凸部３０ｃに対応する位置に形成されている。
　金属多孔体シート３１の厚さ（以下「厚さＴ３」とする）は、金属多孔体シート３２の厚さ（以下「厚さＴ４」とする）よりも大きい。金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２は、集電体３０の厚さ方向に直交する面内において、並べて配置（重ねられずに配置）されている。金属多孔体シート３１は、貫通穴３２ａ内に配置されている。そのため、金属多孔体シート３１により、凸部３０ｃが構成されていることになる。
　厚さＴ２から厚さＴ１を減じた値は、反り量ＷＡに等しいことが好ましい。厚さＴ３から厚さＴ４を減じた値は、反り量ＷＡに等しいことが好ましい。なお、厚さＴ２から厚さＴ１を減じた値が反り量ＷＡの０．９５倍以上１．０５倍以下の範囲内にある場合は「厚さＴ２から厚さＴ１を減じた値が反り量ＷＡに等しい」に含まれ、厚さＴ３から厚さＴ４を減じた値が反り量ＷＡの０．９５倍以上１．０５倍以下の範囲内にある場合は「厚さＴ３から厚さＴ４を減じた値が反り量ＷＡに等しい」に含まれるものとする。
　金属多孔体シート２２は、同心状に複数枚の金属多孔体シートに分割されてもよい。この場合、外側に配置されている金属多孔体シートほど厚くなっている。金属多孔体シート３２は、同心状に複数枚の金属多孔体シートに分割されてもよい。この場合、外側に配置されている金属多孔体シートほど薄くなっている。
　図１Ａに示されるように、インターコネクタ４０は主面２０ｂ上に配置されており、インターコネクタ５０は主面３０ｂ上に配置されている。このことを別の観点から言えば、セル１０、集電体２０及び集電体３０は、インターコネクタ４０及びインターコネクタ５０により、挟み込まれている。インターコネクタ４０の集電体２０側の主面には溝４１が形成されており、インターコネクタ５０の集電体３０側の主面には溝５１が形成されている。インターコネクタ４０及びインターコネクタ５０は、導電性材料により形成されている。
　以下に、電気化学セル装置１００の効果を説明する。
　電気化学セル装置１００においては、セル１０が主面１０ｂから主面１０ａに向かって凸に沿っているため、主面２０ａ及び主面３０ａが平坦である場合、主面１０ａと主面２０ａとの間及び主面１０ｂと主面３０ａとの間に隙間が生じてしまう。その結果、セル１０と集電体２０との間の接触電気抵抗値及びセル１０と集電体３０との間の接触電気抵抗値が上昇し、電気化学セル装置１００からの出力電圧が低下してしまう。
　しかしながら、電気化学セル装置１００においては、主面２０ａが凹部２０ｃを有しているとともに、主面３０ａが凸部３０ｃを有しているため、主面２０ａが主面１０ａの形状に沿いやすくなるとともに、主面３０ａが主面１０ｂの形状に沿いやすくなる結果、主面１０ａと主面２０ａとの間及び主面１０ｂと主面３０ａとの間の隙間が減少する。
　したがって、電気化学セル装置１００によると、セル１０と集電体２０との間の接触電気抵抗値及びセル１０と集電体３０との間の接触電気抵抗値が減少し、電気化学セル装置１００からの出力電圧を改善することができる。
　なお、電気化学セル装置１００がＳＯＥＣである場合、セル１０と集電体２０との間の接触電気抵抗値及びセル１０と集電体３０との間の接触電気抵抗値が減少する結果、電気化学セル装置１００における電解電圧を下げることができる。
　金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２の金属多孔体の骨格がニッケル及びコバルトを含有しているとともに、金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２の金属多孔体の目付量が９００ｇ／ｍ２以下である場合、金属多孔体シート２１及び金属多孔体シート２２の変形能を確保することができるため、主面２０ａが主面１０ａの形状にさらに沿いやすくなる。
　金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２の金属多孔体の骨格がニッケルを含有しているとともに、金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２の金属多孔体の目付量が９００ｇ／ｍ２以下である場合、金属多孔体シート３１及び金属多孔体シート３２の変形能を確保することができるため、主面３０ａが主面１０ｂの形状にさらに沿いやすくなる。
　（発電試験）
　以下に、電気化学セル装置１００の効果を確認するために行った発電試験を説明する。
　＜サンプル＞
　発電試験には、サンプル１～サンプル６の電気化学セルが供された。サンプル１～サンプル６において、セル１０、集電体２０及び集電体３０の形状は、表１に示されるとおりとした。なお、表１には示されていないが、サンプル１～サンプル６の全てにおいて、セル１０の厚さ及び直径は、それぞれ０．４ｍｍ及び１００ｍｍとされた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示されるように、サンプル１及びサンプル５において、反り量ＷＡは１００μｍとされた。サンプル２において、反り量ＷＡは３００μｍとされた。サンプル３及びサンプル６において、反り量ＷＡは１０００μｍとされた。サンプル４において、反り量ＷＡは２０００μｍとされた。
　サンプル１には、集電体２０として厚さが４００μｍの金属多孔体シート２１及び厚さが５００μｍの金属多孔体シート２２が用いられ、集電体３０として厚さが５００μｍの金属多孔体シート３１及び厚さが４００μｍの金属多孔体シート３２が用いられた。
　サンプル２には、集電体２０として厚さが２００μｍの金属多孔体シート２１及び厚さが５００μｍの金属多孔体シート２２が用いられ、集電体３０として厚さが５００μｍの金属多孔体シート３１及び厚さが２００μｍの金属多孔体シート３２が用いられた。
　サンプル３には、集電体２０として厚さが１００μｍの金属多孔体シート２１及び厚さが１１００μｍの金属多孔体シート２２が用いられ、集電体３０として厚さが１１００μｍの金属多孔体シート３１及び厚さが１００μｍの金属多孔体シート３２が用いられた。
　サンプル４には、集電体２０として厚さが１００μｍの金属多孔体シート２１及び厚さが２１００μｍの金属多孔体シート２２が用いられ、集電体３０として厚さが２１００μｍの金属多孔体シート３１及び厚さが１００μｍの金属多孔体シート３２が用いられた。
　サンプル５には、集電体２０として厚さが５００μｍの１枚の金属多孔体シートが用いられ、集電体３０として厚さが５００μｍの１枚の金属多孔体シートが用いられた。
　サンプル６には、集電体２０として厚さが１１００μｍの１枚の金属多孔体シートが用いられ、集電体３０として厚さが１１００μｍの１枚の金属多孔体シートが用いられた。
　＜試験結果＞
　表２には、７５０℃においてアノード－カソード間に０．５Ａ／ｃｍ２の電流が流れている際のアノード－カソード間の出力電圧の初期値が示されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示されるように、サンプル１の出力電圧は、サンプル５の出力電圧よりも大きくなっていた。サンプル３の出力電圧は、サンプル６の出力電圧よりも大きくなっていた。
　この比較から、集電体２０の主面２０ａが凹部２０ｃを有するとともに、集電体３０の主面３０ａが凸部３０ｃを有することにより、セル１０と集電体２０との間の隙間及びセル１０と集電体３０との間の隙間が減少し、電気化学セル装置１００からの出力電圧が増加することが実験的にも明らかにされた。
　反り量ＷＡが大きくなるほど、セル１０と集電体２０との間及びセル１０と集電体３０との間に隙間ができやすくなる一方で、電気化学反応に寄与するセル１０の表面積が増加する。
　サンプル６の出力電圧は、サンプル５の出力電圧よりも小さかった。これは、サンプル６における反り量ＷＡがサンプル５における反り量ＷＡよりも大きいため、セル１０と集電体２０との間の隙間及びセル１０と集電体３０との間の隙間が増加し、セル１０と集電体２０との間の接触電気抵抗及びセル１０と集電体３０との間の接触電気抵抗が増加したためであると考えられる。
　他方で、サンプル１～サンプル４においては、反り量ＷＡが大きくなるほど、出力電圧が増加していた。サンプル１～サンプル４の全てにおいて、厚さＴ２から厚さＴ１を減じた値及び厚さＴ３から厚さＴ４を減じた値が、反り量ＷＡと一致していた。
　このことから、厚さＴ２から厚さＴ１を減じた値及び厚さＴ３から厚さＴ４を減じた値を反り量ＷＡに一致させながら反り量ＷＡを増加させることにより、セル１０と集電体２０との間の隙間及びセル１０と集電体３０との間の隙間を減少させつつ電気化学反応に寄与するセル１０の表面積が増加させること、換言すれば、電気化学セル装置１００からの出力電圧をさらに増加させることが可能であることが、実験的に明らかにされた。
　（第２実施形態）
　以下に、第２実施形態に係る電気化学セル装置（以下「電気化学セル装置２００」とする）の構成を説明する。ここでは、電気化学セル装置１００の構成と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
　電気化学セル装置２００は、セル１０と、集電体２０及び集電体３０と、インターコネクタ４０及びインターコネクタ５０とを有している。セル１０は、主面１０ｂから主面１０ａに向かって凸に反っている。主面２０ａは凹部２０ｃを有しており、主面３０ａは凸部３０ｃを有している。これらの点に関して、電気化学セル装置２００の構成は、電気化学セル装置１００の構成と共通している。
　図８は、電気化学セル装置２００の集電体２０の平面図である。図９は、図８のＩＸ－ＩＸにおける断面図である。図８及び図９に示されるように、電気化学セル装置２００において、集電体２０は、金属多孔体シート２３と金属多孔体シート２４とを有している。金属多孔体シート２３は、例えば平面視において円形である。金属多孔体シート２４は、例えば平面視において環状である。
　金属多孔体シート２４には、金属多孔体シート２４を厚さ方向に貫通する貫通穴２４ａが形成されている。貫通穴２４ａは、凹部２０ｃに対応する位置に配置されている。金属多孔体シート２３及び金属多孔体シート２４は、集電体２０の厚さ方向において重ねて配置されている。金属多孔体シート２４は、主面２０ａ側に配置されている。その結果、貫通穴２４ａ及び金属多孔体シート２３により凹部２０ｃが構成されている。
　図１０は、電気化学セル装置２００の集電体３０の平面図である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩにおける断面図である。集電体３０は、図１０及び図１１に示されるように、金属多孔体シート３３と、金属多孔体シート３４とを有している。金属多孔体シート３３及び金属多孔体シート３４は、例えば、平面視において円形である。金属多孔体シート３３の直径は、金属多孔体シート３４の直径よりも大きい。
　金属多孔体シート３３及び金属多孔体シート３４は、集電体３０の厚さ方向に重ねられている。金属多孔体シート３４は、凸部３０ｃの位置に対応するように主面３０ａ側に配置されている。その結果、金属多孔体シート３４により、凸部３０ｃが構成されている。
　以下に、電気化学セル装置２００の効果を説明する。
　電気化学セル装置２００も、電気化学セル装置１００と同様に、主面２０ａが凹部２０ｃを有しているとともに主面３０ａが凸部３０ｃを有しているため、主面２０ａが主面１０ａの形状に沿いやすくなるとともに主面３０ａが主面１０ｂの形状に沿いやすくなり、主面１０ａと主面２０ａとの間及び主面１０ｂと主面３０ａとの間の隙間が減少する。その結果、電気化学セル装置２００によると、セル１０と集電体２０との間の接触電気抵抗値及びセル１０と集電体３０との間の接触電気抵抗値が減少し、電気化学セル装置１００からの出力電圧を改善することができる。
　（第３実施形態）
　以下に、第３実施形態に係る電気化学セル装置（以下「電気化学セル装置３００」とする）の構成を説明する。ここでは、電気化学セル装置１００の構成と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
　電気化学セル装置３００は、セル１０と、集電体２０及び集電体３０と、インターコネクタ４０及びインターコネクタ５０とを有している。セル１０は、主面１０ｂから主面１０ａに向かって凸に反っている。主面２０ａは凹部２０ｃを有しており、主面３０ａは凸部３０ｃを有している。これらの点に関して、電気化学セル装置３００の構成は、電気化学セル装置１００の構成と共通している。
　図１２は、電気化学セル装置３００の集電体２０の断面図である。図１３は、電気化学セル装置３００の集電体３０の断面図である。図１２及び図１３に示されるように、集電体２０及び集電体３０は、それぞれ、１枚の金属多孔体シート（金属多孔体シート２５及び金属多孔体シート３５）により構成されている。
　なお、集電体２０（金属多孔体シート２５）の凹部２０ｃ及び集電体３０（金属多孔体シート３５）の凸部３０ｃは、例えば、プレス加工により形成することができる。
　以下に、電気化学セル装置３００の効果を説明する。
　電気化学セル装置３００も、電気化学セル装置１００と同様に、主面２０ａが凹部２０ｃを有しているとともに主面３０ａが凸部３０ｃを有しているため、主面２０ａが主面１０ａの形状に沿いやすくなるとともに主面３０ａが主面１０ｂの形状に沿いやすくなり、主面１０ａと主面２０ａとの間及び主面１０ｂと主面３０ａとの間の隙間が減少する。その結果、電気化学セル装置３００によると、セル１０と集電体２０との間の接触電気抵抗値及びセル１０と集電体３０との間の接触電気抵抗値が減少し、電気化学セル装置１００からの出力電圧を改善することができる。
　今回開示された実施形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１０　セル、１０ａ，１０ｂ　主面、１１　固体電解質層、１２　カソード、１３　アノード、１４　中間層、２０　集電体、２０ａ，２０ｂ　主面、２０ｃ　凹部、２１　金属多孔体シート、２２　金属多孔体シート、２２ａ　貫通穴、２３　金属多孔体シート、２４　金属多孔体シート、２４ａ　貫通穴、２５　金属多孔体シート、３０　集電体、３０ａ　主面、３０ｂ　主面、３０ｃ　凸部、３１　金属多孔体シート、３２　金属多孔体シート、３２ａ　貫通穴、３３，３４，３５　金属多孔体シート、４０　インターコネクタ、４１　溝、５０　インターコネクタ、５１　溝、１００，２００，３００　電気化学セル装置、Ｌ　距離、Ｐ　頂点、Ｔ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４　厚さ、ＷＡ　反り量、Ｗｍａｘ　幅。

Claims (13)

  1. 　第１主面と、前記第１主面の反対面である第２主面とを有するセルと、
    　前記第１主面と対向している第３主面を有する第１集電体と、
    　前記第２主面と対向している第４主面を有する第２集電体とを備え、
    　前記セルは、前記第２主面から前記第１主面に向かって凸に反っており、
    　前記第３主面は、前記第１主面の中央部と対向している位置に凹部を含み、
    　前記第４主面は、前記第２主面の中央部と対向している位置に凸部を含み、
    　前記第１集電体及び前記第２集電体の各々は、三次元網目構造の骨格を有する金属多孔体からなる少なくとも１枚の金属多孔体シートにより構成されており、
    　前記第１主面の中央部は、前記第２主面が平坦な基準面と対向するように前記セルを前記基準面上に配置した際に前記基準面からの距離が最も大きくなる前記第１主面の部分を含んでおり、
    　前記第２主面の中央部は、前記第２主面が前記基準面と対向するように前記セルを前記基準面上に配置した際に前記基準面からの距離が最も大きくなる前記第２主面の部分を含んでいる、電気化学セル装置。
  2. 　前記第１集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第１金属多孔体シート及び第２金属多孔体シートであり、
    　前記第１金属多孔体シート及び前記第２金属多孔体シートは、前記第１集電体の厚さ方向に直交している面内において並べて配置されており、
    　前記第２金属多孔体シートには、前記凹部に対応する位置において、前記第２金属多孔体シートを厚さ方向に貫通する第１貫通穴が形成されており、
    　前記第１金属多孔体シートは、前記第１貫通穴内に配置されており、
    　前記第２金属多孔体シートの厚さは、前記第１金属多孔体シートの厚さよりも大きく、
    　前記凹部は、前記第１貫通穴の内周面及び前記第１金属多孔体シートの主面により画されている、請求項１に記載の電気化学セル装置。
  3. 　前記第２金属多孔体シートの厚さから前記第１金属多孔体シートの厚さを減じた値は、前記セルの反り量に等しい、請求項２に記載の電気化学セル装置。
  4. 　前記第１集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第１金属多孔体シート及び第２金属多孔体シートであり、
    　前記第１金属多孔体シート及び前記第２金属多孔体シートは、前記第１集電体の厚さ方向において、前記第２金属多孔体シートが前記第３主面側に位置するように重ねて配置されており、
    　前記第２金属多孔体シートには、前記凹部に対応する位置において、前記第２金属多孔体シートを厚さ方向に貫通する第１貫通穴が形成されている、請求項１に記載の電気化学セル装置。
  5. 　前記第２集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第３金属多孔体シート及び第４金属多孔体シートであり、
    　前記第３金属多孔体シート及び前記第４金属多孔体シートは、前記第２集電体の厚さ方向に直交している面内において並べて配置されており、
    　前記第４金属多孔体シートには、前記凸部に対応する位置において、前記第４金属多孔体シートを厚さ方向に貫通する第２貫通穴が形成されており、
    　前記第３金属多孔体シートは、前記第２貫通穴内に配置されており、
    　前記第３金属多孔体シートの厚さは、前記第４金属多孔体シートの厚さよりも大きい、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気化学セル装置。
  6. 　前記第３金属多孔体シートの厚さから前記第４金属多孔体シートの厚さを減じた値は、前記セルの反り量に等しい、請求項５に記載の電気化学セル装置。
  7. 　前記第２集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートは、第３金属多孔体シート及び第４金属多孔体シートであり、
    　前記第３金属多孔体シート及び前記第４金属多孔体シートは、前記第２集電体の厚さ方向において、前記第４金属多孔体シートが前記第４主面側に位置するように重ねて配置されており、
    　前記第４金属多孔体シートは、前記凸部を構成している、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気化学セル装置。
  8. 　前記第１集電体は、カソード側集電体であり、
    　前記第２集電体は、アノード側集電体である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電気化学セル装置。
  9. 　前記第１集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の前記骨格は、ニッケル及びコバルトを含有しており、
    　前記第１集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の目付量は、９００ｇ／ｍ２以下である、請求項８に記載の電気化学セル装置。
  10. 　前記第２集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の前記骨格は、ニッケルを含有しており、
    　前記第２集電体を構成している前記少なくとも１枚の金属多孔体シートの各々の目付量は、１０００ｇ／ｍ２以下である、請求項８又は請求項９に記載の電気化学セル装置。
  11. 　前記セルの反り量を平面視における前記セルの最大幅で除した値は、１／１０００以上である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電気化学セル装置。
  12. 　固体酸化物形燃料電池である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電気化学セル装置。
  13. 　固体酸化物形電解セルである、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電気化学セル装置。
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