WO2023127813A1 - 電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • a fuel cell is a type of electrochemical cell that can obtain electric power using a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air.
  • the module of the present disclosure includes the electrochemical cell device described above and a storage container that stores the electrochemical cell device.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 1B is a side view of an example of the electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the air electrode side.
  • FIG. 1C is a side view of an example of the electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the interconnector side.
  • 2A is a perspective view showing an example of an electrochemical cell device according to the first embodiment
  • FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. 2A.
  • 2C is a top view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line YY shown in FIG. 2C.
  • the air electrode 8 has gas permeability.
  • the open porosity of the cathode 8 may be, for example, in the range from 20% to 50%, especially from 30% to 50%.
  • the open porosity of the air electrode 8 may also be referred to as the air electrode 8 porosity.
  • FIGS. 2A to 2C are perspective views showing an example of an electrochemical cell device according to the first embodiment
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. 2A
  • FIG. It is a top view which shows an example of the electrochemical cell apparatus which concerns on a form.
  • the fixing member 12 has a fixing member 13 and a support member 14 .
  • Support member 14 supports cell 1 .
  • the fixing member 13 fixes the cell 1 to the support member 14 .
  • the support member 14 has a support 15 and a gas tank 16 .
  • the support 15 as the support member 14 and the gas tank 16 are made of metal and have electrical conductivity.
  • the gas tank 16 has openings for supplying reaction gas to the plurality of cells 1 through the insertion holes 15a, and grooves 16a located around the openings.
  • the end of the outer periphery of the support 15 is joined to the gas tank 16 by a joining material 21 filled in the groove 16 a of the gas tank 16 .
  • the fuel gas is stored in the internal space 22 formed by the support 15 which is the support member 14 and the gas tank 16 .
  • a gas distribution pipe 20 is connected to the gas tank 16 .
  • the fuel gas is supplied to the gas tank 16 through this gas flow pipe 20, and supplied from the gas tank 16 to the gas flow path 2a (see FIG. 1A) inside the cell 1.
  • the fuel gas supplied to the gas tank 16 is generated by a reformer 102 (see FIG. 8) which will be described later.
  • crystallized glass examples include SiO 2 —CaO system, MgO—B 2 O 3 system, La 2 O 3 —B 2 O 3 —MgO system, La 2 O 3 —B 2 O 3 —ZnO system, and SiO 2 .
  • -CaO-ZnO based materials may be used, and in particular SiO 2 -MgO based materials may be used.
  • the end current collecting member 17 is electrically connected to the cell 1 located on the outermost side in the arrangement direction of the plurality of cells 1 .
  • the end collector member 17 is connected to a conductive portion 19 protruding outside the cell stack 11 .
  • the conductive portion 19 collects the electricity generated by the power generation of the cell 1 and extracts it to the outside. It should be noted that illustration of the end collector member 17 is omitted in FIG. 2A.
  • the positive electrode terminal 19A is a positive electrode when the power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the positive electrode-side end collector member 17 in the cell stack 11A.
  • the negative electrode terminal 19B is a negative electrode when the power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the negative electrode-side end current collecting member 17 in the cell stack 11B.
  • the support 15 and the cell 1 are joined via the fixing material 13.
  • the fixing member 13 is positioned on the side of the first end 1e, which is the lower end of the cell 1 in the length direction L, and the support 15 supports one end of the cell 1 including the first end 1e.
  • the shape and structure of the cell 1 are simplified and illustrated.
  • the thickness of the fixing member 13 in contact with the cell 1 is changed according to the ease with which stress is concentrated, and the stress generated in the fixing member 13 is dispersed.
  • the length in the length direction L from the second end 31e of the contact region 31 to the non-contact region 32 is such that the second portion 31b located at the end in the width direction W is at the center in the width direction W. It is larger than the first portion 31a located at the bottom.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the joint between the support and the electrochemical cell in the electrochemical cell device according to the third embodiment.
  • the second end 31Ae of the contact region 31 in the second portion 31b of the first cell 1A is out of contact.
  • the length in the longitudinal direction L up to the region 32 may be greater at the first end 31b1 farther from the second cell 1B than at the second end 31b2 closer to the second cell 1B.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an electrochemical cell device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an electrochemical cell device according to a fifth embodiment.
  • the length along the length direction L of the fixing member 13 that fixes the plurality of cells 1 arranged in the thickness direction T depends on the distance from the end collector member 17. 2B is different from the cell stack device 10 shown in FIG. 2B.
  • the fixing members 13 positioned in the thickness direction T of the cells 1 are, in other words, the fixing members 13 positioned between the cells 1 arranged in the thickness direction T and outside the cell stack in the thickness direction T.
  • the fixing member 13 may be positioned so that the length along the length direction L increases with increasing distance from the end collector member 17 .
  • the length of the fixing member 13 along the length direction L is greater at a position farther from the end collector member 17, that is, at the center in the arrangement direction of the cell stack than at a position closer to the end collector member 17.
  • the fixing member 13 may be positioned so that By varying the length of the fixing member 13 along the length direction L in this manner, for example, even if the support 15 and/or the gas tank 16 are twisted in response to random vibration accompanying the driving of the cell stack device 10, Even if there is, it is possible to reduce the distortion of the support 15 and/or the gas tank 16 in the central portion in the arrangement direction of the cell stack, which is susceptible to the influence. Therefore, the durability of the fixing member 13 can be enhanced, and thus the durability of the electrochemical cell device can be enhanced.
  • the module 100 includes a storage container 101 and a cell stack device 10 housed in the storage container 101. As shown in FIG. A reformer 102 is arranged above the cell stack device 10 .
  • the reformer 102 reforms raw fuel such as natural gas and kerosene to generate fuel gas and supplies it to the cell 1 .
  • the raw fuel is supplied to the reformer 102 through the raw fuel supply pipe 103 .
  • the reformer 102 may include a vaporization section 102a for vaporizing water and a reforming section 102b.
  • the reformer 102b has a reforming catalyst (not shown) and reforms the raw fuel into fuel gas.
  • Such a reformer 102 can perform steam reforming, which is a highly efficient reforming reaction.
  • the fuel gas generated by the reformer 102 is supplied to the gas flow path 2a (see FIG. 1A) of the cell 1 through the gas flow pipe 20, the gas tank 16, and the support member 14.
  • the temperature inside the module 100 during normal power generation is about 500° C. to 1000° C. due to the combustion of gas and the power generation of the cell 1 .
  • the outer case 111 of the module housing device 110 shown in FIG. 9 has a support 112 and an outer plate 113.
  • the partition plate 114 divides the inside of the outer case 111 into upper and lower parts.
  • the space above the partition plate 114 in the exterior case 111 is a module storage chamber 115 that stores the module 100, and the space below the partition plate 114 in the exterior case 111 stores auxiliary equipment that operates the module 100. It is the auxiliary machine accommodation room 116 which carries out.
  • the auxiliary equipment accommodated in the auxiliary equipment accommodation chamber 116 is omitted.
  • fuel cells, fuel cell stack devices, fuel cell modules, and fuel cells are examples of “electrochemical cells,” “electrochemical cell devices,” “modules,” and “module housing devices.”
  • electrolysis cells electrolysis cell stack apparatus, electrolysis modules, and electrolysis apparatus, respectively.
  • the electrolysis cell has a first electrode layer and a second electrode layer, and decomposes water vapor into hydrogen and oxygen or carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen when supplied with power.

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Abstract

電気化学セル装置は、セルと、支持体と、固定材とを備える。セルは、第１端を有し、第１端から第１方向に延びる。支持体は、第１端を含むセルの一端部を支持する。固定材は、セルと支持体との間に位置し、第１方向および第１方向に交差する第２方向に沿うセルの第１面と接触する。第１面は、固定材と接触する接触領域および固定材と非接触の非接触領域を含む。接触領域は、第１端側に第２端を有する。第２端から第１端と反対側の非接触領域までの第１方向の長さは、第２方向の端部に位置する第２部位の方が第２方向の中央部に位置する第１部位よりも大きい。

Description

電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
　本開示は、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
　近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数有する燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる電気化学セルの一種である。
特開２０１５－３５４１７号公報
　実施形態の一態様に係る電気化学セル装置は、セルと、支持体と、固定材とを備える。セルは、第１端を有し、前記第１端から第１方向に延びる。支持体は、前記第１端を含む前記セルの一端部を支持する。固定材は、前記セルと前記支持体との間に位置し、前記第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に沿う前記セルの第１面と接触する。前記第１面は、前記固定材と接触する接触領域および前記固定材と非接触の非接触領域を含む。前記接触領域は、前記第１端側に第２端を有する。前記第２端から前記第１端と反対側の前記非接触領域までの前記第１方向の長さは、前記第２方向の端部に位置する第２部位の方が前記第２方向の中央部に位置する第１部位よりも大きい。
　また、本開示の電気化学セル装置は、第１セルと、第１支持体と、第２セルと、第２支持体と、固定材とを備える。第１セルは、第１端を有し、前記第１端から第１方向に延びる。第１支持体は、前記第１端を含む前記第１セルの一端部を支持する。第２セルは、前記第１支持体を挟んで前記第１セルと隣り合う。第２支持体は、前記第１セルの一端部と隣り合う前記第２セルの一端部を支持する。固定材は、前記第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に沿う前記第１セルの第１面と、前記第１方向および前記第２方向に沿う前記第２セルの第２面とにそれぞれ接触する。前記第１面は、前記固定材と接触する接触領域および前記固定材と非接触の非接触領域を含む。前記接触領域は、前記第１端側に第２端を有する。前記第２端から前記第１端と反対側の前記非接触領域までの前記第１方向の長さは、前記第２方向の端部に位置する第２部位の方が前記第２方向の中央部に位置する第１部位よりも大きい。前記第２部位における前記第２端から前記第１端と反対側の非接触領域までの前記第１方向の長さは、前記第２セルに近い第２端部よりも前記第２セルから離れた第１端部の方が大きい。
　また、本開示のモジュールは、上記に記載の電気化学セル装置と、電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。
　また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、モジュールの運転を行うための補機と、モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備える。
図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。 図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。 図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。 図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。 図３は、図２Ｃに示すＹ－Ｙ線の断面図である。 図４は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置における支持体と電気化学セルとの接合部を拡大した断面図である。 図５は、第３の実施形態に係る電気化学セル装置における支持体と電気化学セルとの接合部を拡大した断面図である。 図６は、第４の実施形態に係る電気化学セル装置を示す断面図である。 図７は、第５の実施形態に係る電気化学セル装置を示す断面図である。 図８は、実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。 図９は、実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。
　燃料電池セルスタック装置では、たとえば、複数の燃料電池セルを支持する支持体を有している。かかる構造では、支持体と燃料電池セルとの接合部分の耐久性に改善の余地があった。
　そこで、耐久性が高い電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の提供が期待されている。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。
　また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。
［第１の実施形態］
＜電気化学セルの構成＞
　まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、実施形態に係る電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。
　図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図であり、図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。
　図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが、たとえば、１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば、１ｍｍ～５ｍｍである。長さ方向Ｌは、第１方向の一例である。幅方向Ｗは、第１方向に交差する第２方向の一例である。
　図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する第１面ｎ１、第２面ｎ２、かかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
　素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１上に位置している。素子部３は、燃料極５と、固体電解質層６と、空気極８とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の第２面ｎ２上にインターコネクタ４が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極８との間に中間層７を備えていてもよい。
　また、図１Ｂに示すように、空気極８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが第１面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。
　以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。
　支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａに流れるガスを燃料極５まで透過させる。支持基板２は導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。
　支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。
　燃料極５の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアを含んでもよい。
　固体電解質層６は、電解質であり、燃料極５と空気極８との間でイオンの受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。
　固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６は、たとえば、Ｙｂ、ＳｃまたはＧｄが固溶したＺｒＯ２を含んでもよく、Ｌａ、ＮｄまたはＹｂが固溶したＣｅＯ２を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＺｒＯ３を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＣｅＯ３を含んでもよい。
　空気極８は、ガス透過性を有している。空気極８の開気孔率は、たとえば２０％～５０％、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。空気極８の開気孔率を空気極８の空隙率と称する場合もある。
　空気極８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物など導電性セラミックスでもよい。
　空気極８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。
　また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。空気極８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）が固体電解質層６に拡散すると、かかる固体電解質層６にＳｒＺｒＯ３の抵抗層が形成される。中間層７は、Ｓｒを拡散させにくくすることで、ＳｒＺｒＯ３が形成されにくくする。
　中間層７の材料は、一般的に空気極８と固体電解質層６との間の元素の拡散抑制層に用いられるものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含んでもよい。かかる希土類元素としては、たとえば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。
　また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。
　インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。
＜電気化学セル装置の構成＞
　次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。
　図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。
　固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、金属製であり導電性を有している。
　図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。
　ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。
　図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図８参照）で生成される。
　水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。
　図２Ａに示す例は、２列のセルスタック１１、２つの支持体１５、およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１は、複数のセル１をそれぞれ有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。
　挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きくてもよい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きくてもよい。
　図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部には、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。
　固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。
　結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ２Ｏ３系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＭｇＯ系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。
　また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、導電部材１８が介在している。導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極５と他方のセル１の空気極８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、隣接する一方のセル１の燃料極５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極８とを接続している。導電部材１８は、固定材１３と接触していてもよく、非接触であってもよい。
　また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。
　また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。
　正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。
　接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。
＜支持体と電気化学セルとの接合＞
　つづいて、支持体１５と電気化学セルとの接合について、図２Ｂ～図３を参照しながら説明する。図３は、図２Ｃに示すＹ－Ｙ線の断面図である。
　図３に示すように、支持体１５およびセル１は、固定材１３を介して接合されている。固定材１３は、セル１の長さ方向Ｌの下端である第１端１ｅ側に位置しており、支持体１５は、第１端１ｅを含むセル１の一端部を支持する。なお、図３では、セル１の形状および構造を単純化して図示している。
　また、固定材１３は、図２Ｂに示すように、厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に隣り合うセル１間に位置している。図３に示すように、固定材１３は、長さ方向Ｌおよび幅方向Ｗに沿うセル１の第１面１ｂと接触するように位置している。第１面１ｂは、固定材１３と接触する接触領域３１と、固定材１３と非接触の非接触領域３２とを含む。接触領域３１は、第１端１ｅ側に第２端３１ｅを有している。図３では、第２端３１ｅは第１端１ｅと一致しているが、一致しなくてもよい。
　ところで、セルスタック装置１０を構成するセル１は、幅方向Ｗに外力を受けることがある。かかる場合、セル１を固定する固定材１３は、セル１が受ける外力に伴う応力集中によりクラックが発生し、セルスタック装置１０の耐久性が低下するおそれがあった。
　そこで、実施形態では、応力の集中しやすさに応じて、セル１と接触する固定材１３の厚みを変更し、固定材１３に生じる応力を分散させる。実施形態では、接触領域３１の第２端３１ｅから非接触領域３２までの長さ方向Ｌの長さは、幅方向Ｗの端部に位置する第２部位３１ｂの方が、幅方向Ｗの中央部に位置する第１部位３１ａよりも大きい。
　セル１が幅方向Ｗに外力を受けると、幅方向Ｗの端部に位置する固定材１３には、幅方向Ｗの中央部に位置する固定材１３と比較して応力が集中しやすい。幅方向Ｗの端部に位置する第２部位３１ｂにおける固定材１３の厚みを、幅方向Ｗの中央部に位置する第１部位３１ａにおける固定材１３の厚みよりも大きくすることにより、固定材１３が受ける応力を分散させることができる。このため、固定材１３の耐久性を高めることができることから、電気化学セル装置の耐久性を高めることができる。幅方向Ｗの中央部に位置する第１部位３１ａにおける固定材１３の厚みは、接触領域３１の第２端３１ｅから非接触領域３２までの長さＬ１である。幅方向Ｗの端部に位置する第２部位３１ｂにおける固定材１３の厚みは、接触領域３１の第２端３１ｅから非接触領域３２までの長さＬ２である。
　幅方向Ｗの端部に位置する接触領域３１の長さＬ２は、幅方向Ｗの中央部に位置する接触領域３１の長さＬ１を基準に、たとえば１．１×Ｌ１≦Ｌ２≦２．５×Ｌ１、特に１．４×Ｌ１≦Ｌ２≦１．７×Ｌ１程度とすることができる。このように、長さＬ１、Ｌ２を規定することにより、セル１が幅方向Ｗに外力を受けた場合であっても、固定材１３が受ける応力を分散させることができ、固定材１３にクラックが発生しにくくなる。
［第２～第５の実施形態］
　第２～第５の実施形態に係る電気化学セル装置について、図４～図７を参照しながら説明する。図４は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置における支持体と電気化学セルとの接合部を拡大した断面図である。図４では、第２端３１ｅは第１端１ｅと一致しているが、一致しなくてもよい。
　図４に示すように、セル１の第１面１ｂは、幅方向Ｗの端部に位置する第２部位３１ｂが、セル１の幅方向Ｗの端面１ｃ、１ｄよりも第１部位３１ａ寄りに位置していてもよい。このように、第２部位３１ｂは、第１面１ｂの幅方向Ｗの両端から離れて位置してもよい。
　また、幅方向Ｗの中央部に位置する第１部位３１ａは、第１面１ｂにおける幅方向Ｗの両端から等間隔の箇所に位置していてもよく、位置しなくてもよい。また、第１面１ｂの接触領域３１に、固定材１３が接触していない部分を有してもよい。
　また、セル１よりも幅方向Ｗの外側に位置する固定材１３は、幅方向Ｗに沿うように平坦であってもよく、固定材１３の厚みが段階的に異なるように固定材１３の表面が幅方向Ｗに対して傾斜していてもよい。
　また、幅方向Ｗの両端部に位置する第２部位３１ｂは、接触領域３１の第２端３１ｅから非接触領域３２までの長さが同じであってもよく、異なってもよい。
　第１、第２の実施形態に係る電気化学セル装置は、たとえば上述の条件を満たすセル１を１つだけ有していてもよいし、２つ以上有していてもよい。第１、第２の実施形態に係る電気化学セル装置に含まれる全てのセル１が上述の条件を満たしていてもよい。このような電気化学セル装置は、上述の条件を満たすセル１を有さない電気化学セル装置に対して耐久性を高めることができる。
　図５は、第３の実施形態に係る電気化学セル装置における支持体と電気化学セルとの接合部を拡大した断面図である。図５に示すように、セル１の幅方向Ｗに並ぶ第１セル１Ａおよび第２セル１Ｂを有する場合において、第１セル１Ａの第２部位３１ｂにおける接触領域３１の第２端３１Ａｅから非接触領域３２までの長さ方向Ｌの長さは、第２セル１Ｂに近い第２端部３１ｂ２よりも第２セル１Ｂから離れた第１端部３１ｂ１の方が大きくてもよい。第２セル１Ｂから離れた第１端部３１ｂ１における接触領域３１の第２端３１Ａｅから非接触領域３２までの長さを長さＬ３とし、第２セル１Ｂに近い第２端部３１ｂ２における接触領域３１の第２端３１Ａｅから非接触領域３２までの長さを長さＬ４とする。
　たとえば、幅方向Ｗに並ぶ第１セル１Ａおよび第２セル１Ｂを有するセルスタック装置１０では、第１セル１Ａは、第２セル１Ｂに近い部分よりも、第２セル１Ｂから離れた部分の方が、幅方向Ｗの外力を受けやすい。このため、第１セル１Ａのうち、幅方向Ｗの外力を受けにくい部分に近い第２端部３１ｂ２における長さＬ４よりも、幅方向Ｗの外力を受けやすい部分に近い第１面１Ａｂの第１端部３１ｂ１における長さＬ３を大きくすることで、固定材１３が受ける応力を分散させることができる。これにより、第１セル１Ａを固定する固定材１３にクラックが発生しにくくなり、固定材１３の耐久性を高めることができることから、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。
　同様に、第２セル１Ｂを固定する固定材１３についても、第１面１Ａｂに対応する第２面１Ｂｂの第２部位３１ｂにおける接触領域３１の第２端３１Ｂｅから非接触領域３２までの長さ方向Ｌの長さを、第１セル１Ａに近い第２端部において、第１セル１Ａから離れた第１端部よりも大きくしてもよい。これにより、第２セル１Ｂを固定する固定材１３が受ける応力を分散させることができ、固定材１３にクラックが発生しにくくなる。このため、第２セル１Ｂを固定する固定材１３の耐久性を高めることができることから、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。図５では、第２端３１Ａｅは第１端１Ａｅと、第２端３１Ｂｅは第１端１Ｂｅと、それぞれ一致しているが、一致しなくてもよい。
　第３の実施形態に係る電気化学セル装置は、たとえば上述の条件を満たす第１セル１Ａまたは第２セル１Ｂを１つだけ有していてもよいし、２つ以上有していてもよい。第３の実施形態に係る電気化学セル装置に含まれる全ての第１セル１Ａおよび第２セル１Ｂが上述の条件を満たしていてもよい。このような電気化学セル装置は、上述の条件を満たす第１セル１Ａまたは第２セル１Ｂを有さない電気化学セル装置に対して、耐久性を高めることができる。
　図６は、第４の実施形態に係る電気化学セル装置を示す断面図である。図７は、第５の実施形態に係る電気化学セル装置を示す断面図である。
　図６、図７に示すセルスタック装置１０は、厚み方向Ｔに並ぶ複数のセル１を固定する固定材１３の長さ方向Ｌに沿う長さが、端部集電部材１７からの距離に応じて異なる点で図２Ｂに示すセルスタック装置１０と相違する。
　図６に示すように、固定材１３は、長さ方向Ｌに沿う長さが、端部集電部材１７から離れるにつれて小さくなるように位置してもよい。また、固定材１３は、長さ方向Ｌに沿う長さが、端部集電部材１７に近い位置において、端部集電部材１７から遠い位置、すなわちセルスタックの配列方向の中央部よりも大きくなるように位置してもよい。端部集電部材１７に近いセル１は外力を受けやすいが、このように固定材１３の長さ方向Ｌに沿う長さを異ならせることにより、たとえばセル１が厚み方向Ｔに外力を受けた場合であっても、セル１の厚み方向Ｔに位置する固定材１３が受ける応力を分散させることができる。このため、固定材１３の耐久性を高めることができることから、電気化学セル装置の耐久性を高めることができる。セル１の厚み方向Ｔに位置する固定材１３とは、言い換えれば厚み方向Ｔに並んだセル１間、および厚み方向Ｔにおけるセルスタックの外側に位置する固定材１３である。
　また、図７に示すように、固定材１３は、長さ方向Ｌに沿う長さが、端部集電部材１７から離れるにつれて大きくなるように位置してもよい。また、固定材１３は、長さ方向Ｌに沿う長さが、端部集電部材１７から遠い位置、すなわちセルスタックの配列方向の中央部において、端部集電部材１７に近い位置よりも大きくなるように位置してもよい。このように長さ方向Ｌに沿う固定材１３の長さを異ならせることにより、たとえばセルスタック装置１０の駆動に伴うランダム振動に応じて支持体１５および／またはガスタンク１６にねじれが生じた場合であっても、その影響を受けやすいセルスタックの配列方向の中央部において、支持体１５および／またはガスタンク１６のひずみを低減させることができる。このため、固定材１３の耐久性を高めることができることから、電気化学セル装置の耐久性を高めることができる。
＜モジュール＞
　次に、上述した各実施形態に係るセルスタック装置１０を用いた本開示の実施形態に係るモジュール１００について、図８を用いて説明する。図８は、実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図８では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。
　図８に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器１０１内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。
　かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。
　そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。
　また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００℃～１０００℃程度となる。
　このようなモジュール１００においては、上述したように、耐久性が高いセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。
＜モジュール収容装置＞
　図９は、実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図８で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図９においては一部構成を省略して示している。
　図９に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図９では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。
　また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。
　このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、耐久性が高いモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。
　なお、上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いた電気化学セル装置に適用することもできる。
＜その他の実施形態＞
　つづいて、その他の実施形態に係る電気化学セル装置について説明する。
　上述の各実施形態では、支持基板の表面に燃料極、固体電解質層および空気極を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」の電気化学セル装置を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」の電気化学セルを配列した横縞型電気化学セル装置に適用することができる。
　また、上述の各実施形態では、「電気化学セル」、「電気化学セル装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。電解セルは、第１電極層および第２電極層を有し、電力の供給により水蒸気を水素と酸素に分解する、または二酸化炭素を一酸化炭素と酸素に分解する。また、上記した各実施形態では電気化学セルの電解質材料の一例として酸化物イオン伝導体または水素イオン伝導体を示したが、水酸化物イオン伝導体であってもよい。このような電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置によれば、耐久性を高めることができる。
　以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
　以上のように、実施形態に係る電気化学セル装置は、セル１と、支持体１５と、固定材１３とを備える。セル１は、第１端１ｅを有し、第１端１ｅから第１方向に延びる。支持体１５は、第１端１ｅを含むセルの一端部を支持する。固定材１３は、セル１と支持体１５との間に位置し、第１方向および第１方向に交差する第２方向に沿うセル１の第１面１ｂと接触する。第１面１ｂは、固定材１３と接触する接触領域３１および固定材１３と非接触の非接触領域３２を含む。接触領域３１は、第１端１ｅ側に第２端３１ｅを有する。第２端３１ｅから第１端１ｅと反対側の非接触領域３２までの第１方向の長さは、第２方向の端部に位置する第２部位３１ｂの方が第２方向の中央部に位置する第１部位３１ａよりも大きい。これにより、固定材１３の耐久性を高めることができることから、電気化学セル装置の耐久性を高めることができる。
　また、実施形態に係る電気化学セル装置は、第１セル１Ａと、第１支持体と、第２セル１Ｂと、第２支持体と、固定材１３とを備える。第１セル１Ａは、第１端１Ａｅを有し、第１端１Ａｅから第１方向に延びる。第１支持体は、第１端１Ａｅを含む第１セル１Ａの一端部を支持する。第２セル１Ｂは、第１支持体を挟んで第１セル１Ａと隣り合う。第２支持体は、第１セル１Ａの一端部と隣り合う第２セル１Ｂの一端部を支持する。固定材１３は、第１方向および第１方向に交差する第２方向に沿う第１セル１Ａの第１面１Ａｂと、第１方向および第２方向に沿う第２セル１Ｂの第２面１Ｂｂとにそれぞれ接触する。第１面１Ａｂは、固定材１３と接触する接触領域３１および固定材１３と非接触の非接触領域３２を含む。接触領域３１は、第１端１Ａｅ側に第２端３１Ａｅを有する。第２端３１Ａｅから第１端１Ａｅと反対側の非接触領域３２までの第１方向の長さは、第２方向の端部に位置する第２部位３１ｂの方が第２方向の中央部に位置する第１部位３１ａよりも大きい。第２部位３１ｂにおける第２端３１Ａｅから第１端１Ａｅと反対側の非接触領域３２までの第１方向の長さは、第２セル１Ｂに近い第２端部３１ｂ２よりも第２セル１Ｂから離れた第１端部３１ｂ１の方が大きい。これにより、固定材１３の耐久性を高めることができることから、電気化学セル装置の耐久性を高めることができる。
　また、実施形態に係るモジュール１００は、上記に記載の電気化学セル装置と、電気化学セル装置を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。
　また、実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケースとを備える。これにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。
　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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　　１　セル
　　３　素子部
　　５　燃料極
　　６　固体電解質層
　　７　中間層
　　８　空気極
　１０　セルスタック装置
　１１　セルスタック
　１２　固定部材
　１３　固定材
　１４　支持部材
　１５　支持体
　１６　ガスタンク
　１７　端部集電部材
　１８　導電部材
１００　モジュール
１１０　モジュール収容装置

Claims (4)

  1. 　第１端を有し、前記第１端から第１方向に延びるセルと、
    　前記第１端を含む前記セルの一端部を支持する支持体と、
    　前記セルと前記支持体との間に位置し、前記第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に沿う前記セルの第１面と接触する固定材と
    　を備え、
    　前記第１面は、前記固定材と接触する接触領域および前記固定材と非接触の非接触領域を含み、
    　前記接触領域は、前記第１端側に位置する第２端を有し、
    　前記第２端から前記第１端と反対側の前記非接触領域までの前記第１方向の長さは、前記第２方向の端部に位置する第２部位の方が前記第２方向の中央部に位置する第１部位よりも大きい
    　電気化学セル装置。
  2. 　第１端を有し、前記第１端から第１方向に延びる第１セルと、
    　前記第１端を含む前記第１セルの一端部を支持する第１支持体と、
    　前記第１支持体を挟んで前記第１セルと隣り合う第２セルと、
    　前記第１セルの一端部と隣り合う前記第２セルの一端部を支持する第２支持体と、
    　前記第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に沿う前記第１セルの第１面と、前記第１方向および前記第２方向に沿う前記第２セルの第２面とにそれぞれ接触する固定材と
    　を備え、
    　前記第１面は、前記固定材と接触する接触領域および前記固定材と非接触の非接触領域を含み、
    　前記接触領域は、前記第１端側に位置する第２端を有し、
    　前記第２端から前記第１端と反対側の前記非接触領域までの前記第１方向の長さは、前記第２方向の端部に位置する第２部位の方が前記第２方向の中央部に位置する第１部位よりも大きく、
    　前記第２部位における前記第２端から前記第１端と反対側の前記非接触領域までの前記第１方向の長さは、前記第２セルに近い第２端部よりも前記第２セルから離れた第１端部の方が大きい
    　電気化学セル装置。
  3. 　請求項１または２に記載の電気化学セル装置と、
    　前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
    　を備えるモジュール。
  4. 　請求項３に記載のモジュールと、
    　前記モジュールの運転を行うための補機と、
    　前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
    　を備えるモジュール収容装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015046365A (ja) * 2013-08-29 2015-03-12 京セラ株式会社 セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置
JP2019057492A (ja) * 2017-07-18 2019-04-11 日本碍子株式会社 燃料電池セル及びセルスタック装置
JP2019061910A (ja) * 2017-09-27 2019-04-18 日本碍子株式会社 燃料電池セル及びセルスタック装置

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