WO2024048629A1 - 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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electrochemical
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史人 古内
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京セラ株式会社
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    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks

Definitions

  • the present disclosure relates to an electrochemical cell device, a module, and a module housing device.
  • 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.
  • An electrochemical cell device includes a plurality of electrochemical cells that include a first cell and a second cell, and are arranged in a first direction.
  • Each of the plurality of electrochemical cells includes an element part, a support body, and a fixing material.
  • the support body supports the element section.
  • the fixing material fixes the element section and the support body.
  • the first cell and the second cell have different positions of the fixing material when viewed in plan in the first direction.
  • a module of the present disclosure includes the electrochemical cell device described above and a storage container that houses the electrochemical cell device.
  • the module housing device of the present disclosure includes the module described above, an auxiliary machine for operating the module, and an exterior case that houses the module and the auxiliary machine.
  • FIG. 1 is a sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of area A shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of the arrangement of fixing members according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a sectional view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing an example of the arrangement of fixing members according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing an example of the module housing device according to the embodiment.
  • drawings are schematic and the dimensional relationship of each element, the ratio of each element, etc. may differ from reality. Furthermore, drawings may include portions that differ in dimensional relationships, ratios, and the like.
  • the electrochemical cell device may include a cell stack having multiple electrochemical cells.
  • An electrochemical cell device having multiple electrochemical cells is simply referred to as a cell stack device.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of area A shown in FIG.
  • a part of each structure of an electrochemical cell is exaggerated, and a part of illustration is abbreviate
  • the electrochemical cell may be simply referred to as a cell.
  • the electrochemical cell device 10 includes a plurality of cells 1 and end plates 16 and 17.
  • the plurality of cells 1 are lined up in the Z-axis direction, which is the first direction.
  • the end plate 16 is located at the end of the electrochemical cell device 10 on the Z-axis positive direction
  • the end plate 17 is located at the end of the electrochemical cell device 10 on the Z-axis negative direction.
  • the end plates 16 and 17 press and fix the plurality of cells 1 in the stacking direction.
  • the electrochemical cell device 10 according to this embodiment is a flat cell stack device in which a plurality of flat cells 1 are stacked.
  • FIG. 1 shows the electrochemical cell device 10 in which six cells 1 are stacked, the number of cells 1 is not limited to this.
  • the cell 1 includes a first current collector 2, an element section 3, a second current collector 9, a sealing material 11, a fixing material 13, and a support 18.
  • the first current collector 2 is located on the negative Z-axis side of the element section 3.
  • the first current collector 2 has a gas flow path 2a through which fuel gas flows.
  • the first current collector 2 allows the gas flowing through the gas flow path 2 a to pass through to the fuel electrode 5 .
  • the first current collector 2 has conductivity and collects electricity generated in the element section 3 to the interconnector 4 .
  • the material of the first current collector 2 includes, for example, an iron group metal component and an inorganic oxide.
  • the iron group metal component may be, for example, Ni (nickel) and/or NiO.
  • the inorganic oxide may be, for example, a specific rare earth element oxide.
  • the rare earth element oxide may contain one or more rare earth elements selected from, for example, Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb.
  • the material of the first current collector 2 may be, for example, a metal or an alloy.
  • ferritic stainless steel containing chromium has electrical conductivity and does not easily lose strength even if it comes into contact with fuel gas such as hydrogen-containing gas.
  • the second current collector 9 is located on the positive Z-axis side of the element section 3.
  • the second current collector 9 may have gas permeability. Further, the second current collector 9 may have a gas flow path through which gas flows.
  • the material of the second current collector 9 may be, for example, a metal or an alloy.
  • ferritic stainless steel containing chromium has electrical conductivity and is resistant to oxidation even when it comes into contact with oxygen-containing gas such as air.
  • the second current collector 9 may include a base material and a conductive oxide coating layer covering the surface of the base material.
  • the element section 3 includes a fuel electrode 5, a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and an air electrode 8.
  • the fuel electrode 5 is an example of a first electrode connected to the first current collector 2.
  • the fuel electrode 5 may be made of a porous conductive ceramic, such as a ceramic containing calcium oxide, magnesium oxide, or ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved as a solid solution, and Ni and/or NiO.
  • This rare earth element oxide may include a plurality of rare earth elements selected from, for example, Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb.
  • ZrO 2 containing calcium oxide, magnesium oxide, or rare earth element oxide as a solid solution is sometimes referred to as stabilized zirconia.
  • Stabilized zirconia may also include partially stabilized zirconia.
  • the solid electrolyte layer 6 is an electrolyte and transfers ions between the fuel electrode 5 and the air electrode 8. At the same time, the solid electrolyte layer 6 has gas barrier properties, making it difficult for fuel gas and oxygen-containing gas to leak.
  • the material of the solid electrolyte layer 6 may be, for example, ZrO 2 in which 3 mol % to 15 mol % of a rare earth element oxide is dissolved.
  • the rare earth element oxide may contain one or more rare earth elements selected from, for example, Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb.
  • the solid electrolyte layer 6 may contain, for example, ZrO 2 in which Yb, Sc or Gd is dissolved in solid solution, CeO 2 in which La, Nd or Yb is dissolved in solid solution, BaZrO 3 in which Sc or Yb is dissolved in solid solution. It may also contain BaCeO 3 in which Sc or Yb is solidly dissolved.
  • the fuel electrode 5 may have the same size as the solid electrolyte layer 6 when viewed in plan in the Z-axis direction. Further, the fuel electrode 5 may be larger or smaller than the solid electrolyte layer 6.
  • the air electrode 8 is an example of a second electrode connected to the second current collector 9.
  • the air electrode 8 has gas permeability.
  • the open porosity of the air electrode 8 may range, for example, from 20% to 50%, particularly from 30% to 50%.
  • the open porosity of the air electrode 8 is sometimes referred to as the porosity of the air electrode 8.
  • the material of the air electrode 8 is not particularly limited as long as it is commonly used for air electrodes.
  • the material of the air electrode 8 may be, for example, a conductive ceramic such as a so-called ABO 3 perovskite oxide.
  • the material of the air electrode 8 may be, for example, a composite oxide in which Sr (strontium) and La (lanthanum) coexist at the A site.
  • composite oxides include La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 , La x Sr 1-x MnO 3 , La x Sr 1-x FeO 3 , La x Sr 1-x Examples include CoO3 . Note that x is 0 ⁇ x ⁇ 1, and y is 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the intermediate layer 7 has a function as a diffusion suppressing layer. For example, when Sr (strontium) contained in the air electrode 8 diffuses into the solid electrolyte layer 6, a resistance layer of SrZrO 3 is formed in the solid electrolyte layer 6. The intermediate layer 7 makes it difficult for Sr to diffuse, thereby making it difficult for SrZrO 3 to be formed in the solid electrolyte layer 6.
  • the material for the intermediate layer 7 is not particularly limited as long as it generally makes it difficult for elements to diffuse between the air electrode 8 and the solid electrolyte layer 6.
  • the material of the intermediate layer 7 may include, for example, cerium oxide (CeO 2 ) in which a rare earth element other than Ce (cerium) is dissolved.
  • CeO 2 cerium oxide
  • rare earth elements for example, Gd (gadolinium), Sm (samarium), etc. may be used. Note that the element section 3 does not need to have the intermediate layer 7.
  • interconnectors 4 are interposed between adjacent cells 1 among the plurality of cells 1. Interconnector 4 is located between adjacent cells 1. The interconnector 4 electrically connects the first current collector 2 of one adjacent cell 1 and the second current collector 9 of the other cell 1 in series.
  • the interconnector 4 is dense and is less likely to cause leakage of the fuel gas flowing through the gas flow path 2a of the first current collector 2 and the oxygen-containing gas flowing outside the first current collector 2. do.
  • the interconnector 4 may have a relative density of 93% or more, in particular 95% or more.
  • the material of the interconnector 4 may be metal or an alloy such as stainless steel.
  • ferritic stainless steel containing chromium has electrical conductivity and is not easily reduced or oxidized even when it comes into contact with fuel gas such as hydrogen-containing gas and oxygen-containing gas such as air.
  • interconnector 4 may be integrated with the first current collector 2 or the second current collector 9, or the first current collector 2 or the second current collector 9 may also serve as the interconnector 4. Good too.
  • the materials of the first current collector 2, the interconnector 4, and the second current collector 9 may be the same or different.
  • the sealing material 11 is located between the solid electrolyte layer 6 and the support 18.
  • a conductive brazing material such as silver solder may be used, for example.
  • the material of the sealing material 11 may be, for example, amorphous glass or crystalline glass with low conductivity.
  • the sealing material 11 may include, for example, a heat-resistant insulating oxide such as forsterite. Thereby, the sealing material 11 improves the adhesion between the solid electrolyte layer 6 and the support 18, so that the durability of the electrochemical cell device 10 can be improved. Note that the cell 1 does not need to have the sealing material 11.
  • the fixing material 13 fixes the element section 3 and the support body 18.
  • a material with low conductivity such as glass can be used.
  • a specific material for the fixing material 13 amorphous glass or the like may be used, and in particular, crystallized glass or the like may be used.
  • 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, SiO 2 -CaO--ZnO-based materials may be used, and in particular, SiO 2 -MgO-based materials may be used.
  • the fixing material 13 may or may not be located between the element part 3 and the support body 18. .
  • the support body 18 supports the element section 3.
  • the support body 18 may be, for example, a plate-shaped metal member along the XY plane.
  • the support body 18 has an opening 18e penetrating in the thickness direction (Z-axis direction).
  • the opening 18e is covered with the fixing material 13.
  • the support body 18 may be, for example, a separator that partitions the fuel gas atmosphere and the oxygen-containing gas atmosphere in the cell 1.
  • both end portions in the X-axis direction and the Y-axis direction tend to be lower in temperature than the center portion in the X-axis direction and the Y-axis direction. Therefore, the power generation performance of the element parts 3 near both ends of the X-axis direction and the Y-axis direction decreases compared to the element part 3 located at the center part of the X-axis direction and the Y-axis direction, and the entire cell 1 There was a concern that cell performance would deteriorate.
  • the power generation performance can be improved by, for example, changing the position of the fixing material 13 where each cell 1 is located.
  • the fixing members 13 have different positions when viewed from above in the first direction (Z-axis direction).
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of the arrangement of fixing materials according to the first embodiment.
  • illustration of some components, such as the interconnector 4 and the support body 18, is omitted.
  • the fixing material 131 included in the cell 1a as the first cell and the fixing material 132 included in the cell 1b serving as the second cell when viewed from above in the first direction (Z-axis direction).
  • the position of is different.
  • “the positions are different when viewed in plan in the first direction (Z-axis direction)” means that part or all of the fixing material 131 and the fixing material 132 in plan view in the first direction (Z-axis direction) are different. This means that they do not overlap.
  • the area ratio of the portion where the fixing material 131 or the fixing material 132 do not overlap is 1% or more. It means that. As shown in FIGS. 2 and 3, the distance between the center P of the element portion 3 and the fixing member 13 when viewed in plan in the first direction (Z-axis direction) may be larger in the cell 1a than in the cell 1b.
  • the portion where the fixing material 131 and the fixing material 132 do not overlap when viewed in plan may be located all around the center P of the element portion 3, for example, as shown in FIG.
  • the portion where the fixing material 131 and the fixing material 132 do not overlap when viewed in plan is located in at least one arbitrary direction from the center P of the element section 3, and the portion where the fixing material 131 and the fixing material 132 do not overlap in the other direction. You can leave it there.
  • FIGS. 1 and 2 show an example in which the fixing members 131 and 132 are alternately located, the present invention is not limited to this.
  • at least one of the fixing materials 13 included in each of the plurality of cells 1 may be the fixing material 131 or the fixing material 132.
  • the cells 1 having the fixing material 131 or the cells 1 having the fixing material 132 may be arranged side by side.
  • FIGS. 1 and 2 show an example in which the distance between the center P of the element portion 3 and the fixing member 13 when viewed in plan is different in the X-axis direction and the Y-axis direction, this is not limited to this. I can't do it.
  • the distances between the center P of the element portion 3 and the fixing members 131 and 132 when viewed in plan may differ only in the X-axis direction and may be the same in the Y-axis direction.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • the center of gravity of the inner contour of the fixing member 131 when viewed in plan may be shifted from the center of gravity of the inner contour of the fixing member 132.
  • heat from a portion of the cell 1b that is difficult to radiate heat is easily transferred to a portion of the cell 1a that is easy to radiate heat, and the power generation performance of the cell 1 as a whole is improved.
  • the positions of the fixing members 13 of the cells 1 located at both ends in the Z-axis direction are different from those of the fixing members 13 of the cell 1 located in the center part of the Z-axis direction. This can improve power generation performance.
  • FIG. 5 is a sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing an example of the arrangement of fixing members according to the second embodiment.
  • the electrochemical cell device 10 may have fixing members 13a to 13c.
  • the fixing member 13a is included in the cell 1 located at the center in the first direction among the plurality of cells 1 arranged in the Z-axis direction (first direction).
  • the fixing members 13b are included in the cells 1 located at both ends in the first direction.
  • the fixing material 13c is included in the cell 1 located between the cell 1 having the fixing material 13a and the cell 1 having the fixing material 13b.
  • the distance between the center P of the element section 3 and the fixing material 13a when viewed in plan in the first direction is larger than the distance between the center P of the element section 3 and the fixing material 13b. Further, the distance between the center P of the element part 3 and the fixing member 13c when viewed in plan in the first direction is smaller than the distance between the center P of the element part 3 and the fixing member 13a, and the distance between the center P of the element part 3 and the fixing member 13c is It is larger than the distance to the fixing member 13b.
  • the distance between the center P of the element part 3 and the fixing material 13c when viewed in plan is smaller than the distance between the center P of the element part 3 and the fixing material 13a, and although the case where the distance is larger than the distance between the center P and the fixing member 13b is shown as an example, the distance is not limited to this.
  • the distance between the center P of the element part 3 and the fixing material 13c when viewed in plan may be larger than the distance between the center P of the element part 3 and the fixing material 13a, and the distance between the center P of the element part 3 and the fixing material It may be smaller than the distance to the material 13b.
  • FIG. 7 is a sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the third embodiment.
  • the electrochemical cell device 10 shown in FIG. 7 differs from the electrochemical cell device 10 according to each embodiment described above in that the cross-sectional shape along the ZX plane and the cross-sectional shape along the YZ plane are different.
  • the cross-sectional shape along the YZ plane may be the same as the electrochemical cell device 10 according to the second embodiment. In this way, by varying the position of the fixing material 13 that each cell 1 has, the power generation performance of the cell 1 as a whole and the power generation performance of the electrochemical cell device 10 as a whole are improved.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing an example of the module housing device according to the embodiment.
  • the module housing device 110 according to the present embodiment includes an exterior case 111, a module 100, and an auxiliary device (not shown).
  • the module 100 includes a storage container 101 and an electrochemical cell device 10 housed within the storage container 101. Furthermore, a reformer (not shown) may be arranged above the electrochemical cell device 10. Such a reformer reformes raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas, and supplies the fuel gas to the cell 1 .
  • the module 100 by accommodating the electrochemical cell device 10 with improved power generation performance, the module 100 can have improved performance.
  • the auxiliary equipment operates the module 100.
  • the module 100 and auxiliary equipment are housed in an exterior case 111. Note that in FIG. 8, some configurations are omitted.
  • the exterior case 111 of the module housing device 110 has a support 112 and an exterior plate 113.
  • the partition plate 114 divides the interior of the exterior case 111 into upper and lower sections.
  • the space above the partition plate 114 in the exterior case 111 is a module storage chamber 115 that accommodates the module 100, and the space below the partition plate 114 in the exterior case 111 accommodates auxiliary equipment that operates the module 100.
  • This is the auxiliary equipment storage chamber 116. Note that, in FIG. 8, the auxiliary equipment accommodated in the auxiliary equipment storage chamber 116 is omitted.
  • the partition plate 114 has an air flow port 117 for flowing air from the auxiliary equipment storage chamber 116 to the module storage chamber 115 side.
  • the exterior plate 113 configuring the module storage chamber 115 has an exhaust port 118 for exhausting the air inside the module storage chamber 115 .
  • the module accommodating device 110 by providing the module 100 with improved performance in the module accommodating chamber 115, the module accommodating device 110 can have improved performance.
  • a fuel cell, a fuel cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device are shown as examples of an “electrochemical cell,” an “electrochemical cell device,” a “module,” and a “module housing device.”
  • an electrolytic cell has a first electrode and a second electrode, and decomposes water vapor into hydrogen and oxygen or decomposes carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen by supplying electric power.
  • an oxide ion conductor or a hydrogen ion conductor is shown as an example of the electrolyte material of the electrochemical cell, but a hydroxide ion conductor may be used. According to such an electrolytic cell, an electrolytic cell stack device, an electrolytic module, and an electrolytic device, electrolytic performance can be improved.
  • the electrochemical cell device includes a plurality of electrochemical cells, including a first cell and a second cell, and arranged in the first direction.
  • Each of the plurality of electrochemical cells includes an element part, a support body that supports the element part, and a fixing material that fixes the element part and the support body.
  • the first cell and the second cell have different positions of the fixing material when viewed in plan in the first direction.
  • the first cell may have a distance between the center of the element portion and the fixing material when viewed in plan in the first direction. It may be larger than 2 cells.
  • the first cell is located in the center in the first direction, and the second cell is located in the center in the first direction. It may be located at the end.
  • the module according to the embodiment includes the electrochemical cell device according to any one of (1) to (3) above, and a storage container that houses the electrochemical cell device.
  • the module housing device includes the module described in (4) above, an auxiliary machine for operating the module, and an exterior case that houses the module and the auxiliary machine.

Abstract

電気化学セル装置は、第１セルおよび第２セルを含み、第１方向に並ぶ複数の電気化学セルを備える。複数の電気化学セルは、素子部と、支持体と、固定材とをそれぞれ有する。支持体は、素子部を支持する。固定材は、素子部と支持体とを固定する。第１セルおよび第２セルは、第１方向に平面視したときの固定材の位置が異なる。

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、第１セルおよび第２セルを含み、第１方向に並ぶ複数の電気化学セルを備える。前記複数の電気化学セルは、素子部と、支持体と、固定材とをそれぞれ有する。支持体は、前記素子部を支持する。固定材は、前記素子部と前記支持体とを固定する。前記第１セルおよび前記第２セルは、前記第１方向に平面視したときの前記固定材の位置が異なる。
　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１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断面図である。 図２は、図１に示す領域Ａの拡大図である。 図３は、第１の実施形態に係る固定材の配置の一例を示す平面図である。 図４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断面図である。 図５は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。 図６は、第２の実施形態に係る固定材の配置の一例を示す平面図である。 図７は、第３の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。 図８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。
　上述の燃料電池セルスタック装置では、たとえば、発電時の温度にばらつきが生じる場合があり、電池性能を向上させる点で改善の余地があった。
　そこで、性能を向上することができ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］
　まず、図１～図３を参照しながら、第１の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１は、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す断面図である。図２は、図１に示す領域Ａの拡大図である。なお、図１、図２では、電気化学セルの各構成の一部を誇張し、一部の図示を省略している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。
　図１に示すように、電気化学セル装置１０は、複数のセル１と、エンドプレート１６，１７とを有している。複数のセル１は、第１方向としてのＺ軸方向に並んでいる。エンドプレート１６は、電気化学セル装置１０のＺ軸正方向側の端部に位置しており、エンドプレート１７は、電気化学セル装置１０のＺ軸負方向側の端部に位置している。エンドプレート１６，１７は、複数のセル１を積層方向に押圧し、固定する。本実施形態に係る電気化学セル装置１０は、平板型を有する複数のセル１を積層させた平板型のセルスタック装置である。なお、図１では、６つのセル１を積層させた電気化学セル装置１０を示したが、セル１の数はこれに制限されない。
　セル１は、第１集電体２と、素子部３と、第２集電体９と、シール材１１と、固定材１３と、支持体１８とを有している。
　第１集電体２は、素子部３のＺ軸負方向側に位置している。第１集電体２は、燃料ガスが流れるガス流路２ａを有している。第１集電体２は、ガス流路２ａに流れるガスを燃料極５まで透過させる。第１集電体２は導電性を有しており、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。
　第１集電体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。第１集電体２の材料は、たとえば、金属または合金でもよい。たとえば、クロムを含むフェライト系ステンレス鋼などは、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスと接触しても強度が低下しにくい。
　第２集電体９は、素子部３のＺ軸正方向側に位置している。第２集電体９は、ガス透過性を有していてもよい。また、第２集電体９は、ガスが流れるガス流路を有していてもよい。第２集電体９の材料は、たとえば、金属または合金でもよい。たとえば、クロムを含むフェライト系ステンレス鋼などは、導電性を有し、かつ空気などの酸素含有ガスと接触しても酸化されにくい。第２集電体９は、基材と、基材の表面を覆う導電性酸化物の被覆層とを有してもよい。
　素子部３は、燃料極５と、固体電解質層６と、中間層７と、空気極８とを有している。
　燃料極５は、第１集電体２に接続されている第１電極の一例である。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も含んでもよい。
　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。
　図２に示すように、Ｚ軸方向に平面視した燃料極５は、固体電解質層６と同じ大きさでもよい。また、燃料極５は、固体電解質層６より大きくてもよいし、小さくてもよい。
　空気極８は、第２集電体９に接続されている第２電極の一例である。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、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。たとえば、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、固体電解質層６に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を生じにくくす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。なお、素子部３は、中間層７を有さなくてもよい。
　また、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、インターコネクタ４が介在している。インターコネクタ４は、隣接するセル１の間に位置している。インターコネクタ４は、隣接する一方のセル１の第１集電体２と他方のセル１の第２集電体９とを電気的に直列に接続する。
　また、インターコネクタ４は、緻密質であり、第１集電体２が有するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および第１集電体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、金属またはステンレス鋼などの合金などを用いてもよい。たとえば、クロムを含むフェライト系ステンレス鋼などは、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。
　なお、インターコネクタ４は、第１集電体２または第２集電体９と一体化されていてもよいし、第１集電体２または第２集電体９がインターコネクタ４を兼ねてもよい。第１集電体２、インターコネクタ４、および第２集電体９の材料は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　シール材１１は、固体電解質層６と支持体１８との間に位置している。シール材１１の材料には、例えば銀ろうなどの導電性を有するろう材を用いてもよい。シール材１１の材料には、例えば、導電性が低い非晶質ガラス、結晶性ガラスなどを用いてもよい。シール材１１は、たとえば、フォルステライトなど、耐熱性を有する絶縁性の酸化物を含んでよい。これにより、シール材１１は、固体電解質層６と支持体１８との密着性を高めることから、電気化学セル装置１０の耐久性を高めることができる。なお、セル１は、シール材１１を有さなくてもよい。
　固定材１３は、素子部３と支持体１８とを固定する。固定材１３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。
　なお、素子部３と支持体１８との間にシール材１１を有さない場合、固定材１３は、素子部３と支持体１８との間に位置してもよく、位置しなくてもよい。固定材１３は、素子部３および支持体１８との接触面積が大きいほど素子部３と支持体１８とをより強固に固定することができる。
　支持体１８は、素子部３を支持する。支持体１８は、たとえば、ＸＹ平面に沿う板状の金属部材であってもよい。支持体１８は、厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通する開口１８ｅを有している。かかる開口１８ｅは、固定材１３に覆われている。支持体１８は、たとえば、セル１中の燃料ガス雰囲気と酸素含有ガス雰囲気とを区画するセパレータであってもよい。
　ところで、電気化学セル装置１０が有する各セル１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両端部が、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の中央部と比較して低温となりやすい。このため、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両端部に近い素子部３では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の中央部に位置する素子部３と比較して発電性能が低下し、セル１の全体としてのセル性能が低下する懸念があった。
　そこで、本実施形態では、たとえば、各セル１が位置する固定材１３の位置を異ならせることで、発電性能を向上させることができる。本実施形態では、固定材１３は、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視したときの位置が異なる。
　図３は、第１の実施形態に係る固定材の配置の一例を示す平面図である。なお、図３では、たとえば、インターコネクタ４および支持体１８等、一部の構成の図示を省略している。
　図２および図３に示すように、第１セルとしてのセル１ａが有する固定材１３１および第２セルとしてのセル１ｂが有する固定材１３２は、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視したときの位置が異なる。ここで、「第１方向（Ｚ軸方向）に平面視したときの位置が異なる」とは、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視した固定材１３１および固定材１３２の一部または全部が重畳しないことをいう。より具体的には、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視した固定材１３１または固定材１３２が位置する部分のうち、固定材１３１および固定材１３２が重畳しない部分の面積割合が１％以上であることをいう。図２および図３に示すように、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３との距離は、セル１ａがセル１ｂより大きくてもよい。平面視して固定材１３１および固定材１３２が重畳しない部分は、たとえば図３に示すように素子部３の中心Ｐの周り全てにわたって位置していてもよい。また、平面視して固定材１３１および固定材１３２が重畳しない部分は、素子部３の中心Ｐから任意の少なくとも１つの方向に位置し、他の方向では固定材１３１および固定材１３２が重畳していてもよい。
　このように、セル１ａおよびセル１ｂをそれぞれ平面視したときの固定材１３の位置を異ならせることにより、発電性能が向上する。要因としては、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視したときの固定材１３の位置を異ならせることにより、酸素含有ガスを流す容積が小さく放熱しにくいセル１ｂの熱が、酸素含有ガスを流す容積が大きく放熱しやすいセル１ａに伝わりやすくなる。これにより、セル１のうち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の中央部における放熱性が向上する。その結果、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両端部の温度が上昇し、セル１の全体としての発電性能が向上するためと考えられる。
　なお、図１および図２では、固定材１３１および固定材１３２が交互に位置する場合を例に挙げて示したが、これに限られない。たとえば、複数のセル１がそれぞれ有する固定材１３のうち、少なくとも一つが固定材１３１または固定材１３２であってもよい。また、固定材１３１を有するセル１または固定材１３２を有するセル１が並んで位置してもよい。
　また、図１および図２では、平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３との距離がＸ軸方向およびＹ軸方向に異なる場合を例に挙げて示したが、これに限られない。たとえば、平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３１および固定材１３２との距離が、Ｘ軸方向にのみ異なり、Ｙ軸方向には同じであってもよい。
　図４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断面図である。図４に示すように、平面視したときの固定材１３１の内側の輪郭の重心が、固定材１３２の内側の輪郭の重心からずれていてもよい。この場合、固定材１３１とセル１ａの素子部３の中心Ｐとの距離が広い部位と、固定材１３２とセル１ｂの素子部３の中心Ｐとの距離が狭い部位とが重なる。これにより、セル１ｂの放熱しにくい部位の熱がセル１ａの放熱しやすい部位に伝わりやすくなり、セル１の全体としての発電性能が向上する。
［第２の実施形態］
　Ｚ軸方向（第１方向）に積層された各セル１は、Ｚ軸方向の両端部が、Ｚ軸方向の中央部と比較して低温となりやすい。このため、Ｚ軸方向の両端部に位置するセル１が有する素子部３では、Ｚ軸方向の中央部に位置するセル１が有する素子部３と比較して発電性能が低下し、電気化学セル装置１０の全体としての発電性能が低下する懸念があった。
　そこで、本実施形態では、たとえば、Ｚ軸方向の両端部に位置するセル１が有する固定材１３と、Ｚ軸方向の中央部に位置するセル１が有する固定材１３との位置を異ならせることで、発電性能を向上させることができる。
　図５は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。図６は、第２の実施形態に係る固定材の配置の一例を示す平面図である。
　図５に示すように、電気化学セル装置１０は、固定材１３ａ～１３ｃを有してもよい。固定材１３ａは、Ｚ軸方向（第１方向）に並ぶ複数のセル１のうち、第１方向の中央部に位置するセル１が有している。固定材１３ｂは、第１方向の両端部に位置するセル１が有している。固定材１３ｃは、固定材１３ａを有するセル１と、固定材１３ｂを有するセル１との間に位置するセル１が有している。
　第１方向に平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３ａとの距離は、素子部３の中心Ｐと固定材１３ｂとの距離よりも大きい。また、第１方向に平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３ｃとの距離は、素子部３の中心Ｐと固定材１３ａとの距離よりも小さく、素子部３の中心Ｐと固定材１３ｂとの距離よりも大きい。
　このように、平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３との距離を異ならせることにより、発電性能が向上する。要因としては、第１方向（Ｚ軸方向）に平面視したときの固定材１３の位置を異ならせることにより、Ｚ軸方向の中央部に位置するセル１のうち、酸素含有ガスを流す容積が大きい部位で放熱しやすくなる。これにより、電気化学セル装置１０の内部における放熱性が向上する。その結果、Ｚ軸方向の両端部に位置するセル１の温度が上昇し、発電性能が向上するためと考えられる。
　なお、図５および図６では、平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３ｃとの距離が、素子部３の中心Ｐと固定材１３ａとの距離よりも小さく、素子部３の中心Ｐと固定材１３ｂとの距離よりも大きい場合を例に挙げて示したが、これに限られない。たとえば、平面視したときの素子部３の中心Ｐと固定材１３ｃとの距離が、素子部３の中心Ｐと固定材１３ａとの距離よりも大きくてもよく、素子部３の中心Ｐと固定材１３ｂとの距離よりも小さくてもよい。
［第３の実施形態］
　図７は、第３の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。図７に示す電気化学セル装置１０は、ＺＸ平面に沿った断面形状とＹＺ平面に沿った断面形状とが異なる点で上記した各実施形態に係る電気化学セル装置１０と相違する。
　具体的には、第１の実施形態に係る電気化学セル装置１０において、ＹＺ平面に沿った断面形状を、第２の実施形態に係る電気化学セル装置１０と同じとしてもよい。このように、各セル１が有する固定材１３の位置を異ならせることにより、セル１の全体としての発電性能および電気化学セル装置１０の全体としての発電性能が向上する。
＜モジュールおよびモジュール収容装置＞
　次に、上述した各実施形態に係る電気化学セル装置１０を用いたモジュールおよびモジュール収容装置について、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、モジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。
　モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器１０１内に収納された電気化学セル装置１０を備えている。また、電気化学セル装置１０の上方には、図示しない改質器が配置されていてもよい。かかる改質器は、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。
　このようなモジュール１００においては、上述したように、発電性能が向上した電気化学セル装置１０を収納して構成されることにより、性能が向上したモジュール１００とすることができる。
　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８においては一部構成を省略して示している。
　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８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、性能が向上したモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、性能が向上したモジュール収容装置１１０とすることができる。
＜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電極および第２電極を有し、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、電解性能を向上することができる。
　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、（１）実施形態に係る電気化学セル装置は、第１セルおよび第２セルを含み、第１方向に並ぶ複数の電気化学セルを備える。前記複数の電気化学セルは、素子部と、前記素子部を支持する支持体と、前記素子部と前記支持体とを固定する固定材とをそれぞれ有する。前記第１セルおよび前記第２セルは、前記第１方向に平面視したときの前記固定材の位置が異なる。
　また、（２）上記（１）に記載の電気化学セル装置において、前記第１セルは、前記第１方向に平面視したときの前記素子部の中心と前記固定材との距離が、前記第２セルよりも大きくてもよい。
　また、（３）上記（１）または（２）に記載の電気化学セル装置において、前記第１セルは、前記第１方向の中央部に位置し、前記第２セルは、前記第１方向の端部に位置してもよい。
　また、（４）実施形態に係るモジュールは、上記（１）～（３）のいずれか１つ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、（５）実施形態に係るモジュール収容装置は、上記（４）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。
　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　電気化学セル装置
　１３　固定材
　１８　支持体
１００　モジュール
１１０　モジュール収容装置

Claims (5)

  1. 　第１セルおよび第２セルを含み、第１方向に並ぶ複数の電気化学セルを備え、
    　前記複数の電気化学セルは、
    　素子部と、
    　前記素子部を支持する支持体と、
    　前記素子部と前記支持体とを固定する固定材と
    　をそれぞれ有し、
    　前記第１セルおよび前記第２セルは、前記第１方向に平面視したときの前記固定材の位置が異なる
    　電気化学セル装置。
  2. 　前記第１セルは、前記第１方向に平面視したときの前記素子部の中心と前記固定材との距離が、前記第２セルよりも大きい
    　請求項１に記載の電気化学セル装置。
  3. 　前記第１セルは、前記第１方向の中央部に位置し、
    　前記第２セルは、前記第１方向の端部に位置する
    　請求項１または２に記載の電気化学セル装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１つ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。
  5. 　請求項４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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