Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7645683B2 - Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7645683B2 - Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell - Google Patents

Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell Download PDF

Info

Publication number
JP7645683B2
JP7645683B2 JP2021059954A JP2021059954A JP7645683B2 JP 7645683 B2 JP7645683 B2 JP 7645683B2 JP 2021059954 A JP2021059954 A JP 2021059954A JP 2021059954 A JP2021059954 A JP 2021059954A JP 7645683 B2 JP7645683 B2 JP 7645683B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plate
electrochemical
annular spacer
gas
electrochemical element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021059954A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022156333A (en
Inventor
規寿 神家
久男 大西
満秋 越後
章雄 稲家
将和 依田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Gas Co Ltd filed Critical Osaka Gas Co Ltd
Priority to JP2021059954A priority Critical patent/JP7645683B2/en
Publication of JP2022156333A publication Critical patent/JP2022156333A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7645683B2 publication Critical patent/JP7645683B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

本発明は、環状スペーサ、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形電解セルに関する。 The present invention relates to an annular spacer, an electrochemical element, an electrochemical module, an electrochemical device, an energy system, a solid oxide fuel cell, and a solid oxide electrolysis cell.

従来、燃料電池(電気化学発電セル)や電解セル等の電気化学装置を構成する電気化学素子積層体は、特許文献1に示すように、気体透過領域を備えるとともに前記気体透過領域を覆って電気化学反応部を形成してなる金属基板や、スペーサやセパレータとして機能する金属基板等を含む多数の基板を気密に積層した構成となっていた。そして、電気化学反応部を備えた金属基板(電気化学素子)の両面に沿って空気(酸化性成分ガス)の空気流路と燃料ガス(還元性成分ガス)の燃料ガス流路とを画定し、それぞれの流路に空気と燃料ガスを流通する。すなわち、電気化学素子の複数を積層して電気化学モジュールとして一体に形成したものとなっていた。これにより、前記電気化学反応部において空気と燃料ガスとの反応から電力等の電気化学出力を生成するものとなっていた。 Conventionally, electrochemical element stacks constituting electrochemical devices such as fuel cells (electrochemical power generation cells) and electrolysis cells have been configured by airtightly stacking a number of substrates, including metal substrates that have a gas permeable region and cover the gas permeable region to form an electrochemical reaction section, and metal substrates that function as spacers and separators, as shown in Patent Document 1. Then, an air flow path for air (oxidizing component gas) and a fuel gas flow path for fuel gas (reducing component gas) are defined along both sides of the metal substrate (electrochemical element) that has an electrochemical reaction section, and air and fuel gas are circulated through each flow path. In other words, a plurality of electrochemical elements are stacked and integrally formed as an electrochemical module. As a result, electrochemical output such as electricity is generated from the reaction between air and fuel gas in the electrochemical reaction section.

特表2017-508254号公報Special table 2017-508254 publication

ところが、このように電気化学モジュールは、多数の基板を積層して空気流路と燃料ガス流路とを形成するから、多数の金属基板を確実に密閉固定する必要がある。そのため、このような電気化学モジュールを作製するには、信頼性高く確実に固定するために、多大な工数と細心の注意を必要とする。そのため、このような電気化学モジュールを作製するための作製費は大きく膨らむとともに、作製される電気化学モジュールの信頼性(金属基板間の気密性や電気的接続の確実性など)が低下することになっていた。 However, because an electrochemical module like this forms the air flow path and the fuel gas flow path by stacking multiple substrates, it is necessary to securely seal and fix multiple metal substrates. Therefore, to produce such an electrochemical module, a great deal of labor and meticulous care are required to reliably and securely fix the substrates. This results in a large increase in the production costs of such electrochemical modules, and a decrease in the reliability of the electrochemical modules produced (such as the airtightness between the metal substrates and the reliability of the electrical connections).

したがって、本発明は上記実状に鑑み、電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュールの作成を容易にする手段を提供すること、また、その電気化学モジュールを作製するにあたって、取り扱い容易な構造の電気化学素子を提供することを目的とする。また、電気化学モジュールを利用した電気化学装置やエネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セルを安価に提供することをさらなる目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention aims to provide a means for facilitating the creation of an electrochemical module in which multiple electrochemical elements are arranged in an assembled state, and to provide electrochemical elements having a structure that is easy to handle when producing the electrochemical module. It is a further aim to provide electrochemical devices and energy systems, solid oxide fuel cells, and solid oxide electrolysis cells that utilize electrochemical modules at low cost.

上述した課題を解決する手段として、本発明の環状スペーサは、表裏にわたる貫通孔を備える板状の環状スペーサであって、他の部材に挟まれた状態で前記貫通孔の内側の空間から前記環状スペーサの外側の空間まで気体を通流させる流路を備え、前記環状スペーサの中央部において、前記貫通孔の周壁を形成するように、表面及び裏面の少なくとも一方に周囲よりも表裏方向に突出するフランジ状のフランジ部を備えることを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the annular spacer of the present invention is a plate-shaped annular spacer having a through hole extending from the front to the back, and is provided with a flow path for allowing gas to flow from the space inside the through hole to the space outside the annular spacer when sandwiched between other members , and is characterized in that in the central portion of the annular spacer, at least one of the front and back surfaces has a flange-shaped flange portion that protrudes in the front-to-back direction beyond the surrounding area so as to form a peripheral wall of the through hole .

本構成によれば、環状スペーサを他の部材に挟んだとき、貫通孔の内部の空間から環状スペーサの外側の空間まで気体を通流させることができる。このような環状スペーサは、電気化学素子の板状支持体に好適に適用できる。例えば、板状支持体が2枚の板状体を対向させて構成され、2枚の板状体の間の空間が気体の流路(内部流路)として利用される場合がある。この場合、環状スペーサを、2枚の板状体に挟まれる状態で配置すると、様々な利点が生じる。まず、板状支持体の剛性を高めることができる。電気化学モジュールを作成するとき、複数の電気化学素子が集合され、集合方向に力が加えられる。環状スペーサの存在により、板状体の変形を抑制し、内部流路の形状を保つことができる。また、環状スペーサの貫通孔及び流路を、板状支持体の内部流路への気体の供給に用いることができる。従って、環状スペーサにより、電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュールの作成を容易に行なうことができる。換言すれば、環状スペーサにより、電気化学モジュールを作製するにあたって、取り扱い容易な構造の電気化学素子を提供することができる。
また、本構成では、環状スペーサの中央部において、貫通孔の周壁を形成するように、表面及び裏面の少なくとも一方に周囲よりも表裏方向に突出するフランジ状のフランジ部を備える。これにより、環状スペーサを2枚の板状体に挟まれる状態で配置したときに、例えば一方の板状体に設けた貫通部にフランジ部を配設することにより、環状スペーサを、前記板状体に対して位置決めすることができる。
According to this configuration, when the annular spacer is sandwiched between other members, gas can flow from the space inside the through hole to the space outside the annular spacer. Such an annular spacer can be suitably applied to the plate-like support of an electrochemical element. For example, the plate-like support may be constructed by opposing two plates, and the space between the two plates may be used as a gas flow path (internal flow path). In this case, various advantages are obtained by arranging the annular spacer in a state where it is sandwiched between the two plates. First, the rigidity of the plate-like support can be increased. When an electrochemical module is created, a plurality of electrochemical elements are assembled, and a force is applied in the assembly direction. The presence of the annular spacer can suppress deformation of the plate-like elements and maintain the shape of the internal flow path. In addition, the through hole and flow path of the annular spacer can be used to supply gas to the internal flow path of the plate-like support. Therefore, the annular spacer can easily create an electrochemical module in which a plurality of electrochemical elements are arranged in an assembled state. In other words, the annular spacer can provide an electrochemical element having a structure that is easy to handle when creating an electrochemical module.
In addition, in this configuration, the annular spacer has a flange-shaped portion on at least one of the front and back surfaces at the center thereof, which protrudes in the front-back direction from the periphery so as to form a peripheral wall of the through hole. With this, when the annular spacer is sandwiched between two plate-like bodies, the annular spacer can be positioned relative to the plate-like bodies, for example, by providing a flange portion at the through hole provided in one of the plate-like bodies.

本発明において、平板状の基部と、前記基部における表面及び裏面の少なくとも一方に周囲よりも表裏方向に突出する突出部を備え、前記突出部の周囲の空間が前記流路として機能し、前記基部の中央部に前記フランジ部を備えると好適である。 In the present invention, it is preferable that the base has a flat base and a protrusion on at least one of the front and back surfaces of the base that protrudes in the front-back direction beyond the surrounding area, the space around the protrusion functions as the flow path , and the flange portion is provided in the center of the base .

本構成によれば、簡易な構成により環状スペーサの流路を実現することができる。 This configuration allows for a simple flow path in the annular spacer.

本発明において、周方向に隙間を空けて配置される複数の第1部位と、前記第1部位を連結する第2部位と、を備え、前記隙間が前記流路として機能し、前記第2部位が前記フランジ部となるように構成してあると好適である。 In the present invention, it is preferable that the nozzle is configured to include a plurality of first portions arranged with gaps in the circumferential direction and a second portion connecting the first portions, the gaps functioning as the flow path and the second portions serving as the flange portion .

本構成によれば、簡易な構成により環状スペーサの流路を実現することができる。 This configuration allows for a simple flow path in the annular spacer.

本発明において、電気伝導性を有する材料により形成されると好適である。 In the present invention, it is preferable that the electrode be formed from an electrically conductive material.

本構成によれば、環状スペーサを他の2つの部材に挟んだとき、環状スペーサを通じて2つの部材が導通可能となる。すなわち、環状スペーサを電気化学素子の板状支持体に用いたとき、板状支持体の電気伝導性を向上させることができる。 According to this configuration, when the annular spacer is sandwiched between two other components, the two components can be electrically connected through the annular spacer. In other words, when the annular spacer is used as a plate-like support for an electrochemical element, the electrical conductivity of the plate-like support can be improved.

本発明において、前記材料が、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅及びインバー材を何れか1つ以上含むと好適である。 In the present invention, it is preferable that the material includes one or more of ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, Inconel, copper, and Invar material.

本構成によれば、容易に入手可能な素材を用いて環状スペーサを安価に作製することができる。 This configuration allows the annular spacer to be produced inexpensively using readily available materials.

上述した課題を解決する手段として、本発明の電気化学素子は、電解質層と、前記電解質層の両側にそれぞれ配置されている第1電極及び第2電極と、前記電解質層と前記第1電極と前記第2電極とを支持する板状支持体と、を備える電気化学素子であって、前記板状支持体は、導電性の第一板状体と、導電性の第二板状体と、前記第一板状体と前記第二板状体との対向面間に形成された内部流路と、を備え、上述の環状スペーサが前記第一板状体と前記第二板状体との間に配置されていることを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the electrochemical element of the present invention is an electrochemical element comprising an electrolyte layer, a first electrode and a second electrode respectively disposed on both sides of the electrolyte layer, and a plate-shaped support for supporting the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode, wherein the plate-shaped support comprises a conductive first plate-shaped body, a conductive second plate-shaped body, and an internal flow path formed between the opposing surfaces of the first plate-shaped body and the second plate-shaped body, and the above-mentioned annular spacer is disposed between the first plate-shaped body and the second plate-shaped body.

本構成によれば、環状スペーサが第一板状体と第二板状体との間に配置されるので、第一板状体及び第二板状体の変形を抑制し、内部流路の形状を保つことができる。換言すれば、板状支持体の剛性を高めることができる。また、環状スペーサの貫通孔及び流路を、板状支持体の内部流路への気体の供給に用いることができる。従って、電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュールの作成を容易に行なうことができる。換言すれば、環状スペーサにより、電気化学モジュールを作製するにあたって、取り扱い容易な構造の電気化学素子を提供することができる。 According to this configuration, since the annular spacer is disposed between the first plate-like body and the second plate-like body, deformation of the first plate-like body and the second plate-like body can be suppressed, and the shape of the internal flow path can be maintained. In other words, the rigidity of the plate-like support can be increased. In addition, the through holes and flow paths of the annular spacer can be used to supply gas to the internal flow path of the plate-like support. Therefore, it is possible to easily create an electrochemical module in which multiple electrochemical elements are arranged in a grouped state. In other words, the annular spacer can provide electrochemical elements with a structure that is easy to handle when fabricating an electrochemical module.

本発明において、前記第一板状体及び前記第二板状体のうち少なくとも一方が、前記内部流路への気体の供給路を形成する貫通部を備え、前記板状支持体の厚さ方向視において前記貫通部と前記環状スペーサの前記貫通孔とが重なるように、前記環状スペーサが配置されていると好適である。 In the present invention, it is preferable that at least one of the first plate-like body and the second plate-like body has a through-hole that forms a gas supply path to the internal flow path, and the annular spacer is arranged so that the through-hole overlaps with the through-hole of the annular spacer when viewed in the thickness direction of the plate-like support body.

本構成によれば、貫通部からの気体を、環状スペーサの貫通孔及び流路を通じて、第一板状体と第二板状体との間の内部流路に供給することができる。 With this configuration, gas from the through-hole can be supplied to the internal flow path between the first plate-like body and the second plate-like body through the through-hole and flow path of the annular spacer.

上述した課題を解決する手段として、本発明の電気化学モジュールは、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置されることを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the electrochemical module of the present invention is characterized in that a plurality of the above-mentioned electrochemical elements are arranged in a cluster.

本構成によれば、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置されるので、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。 With this configuration, multiple electrochemical elements as described above are arranged in a cluster, making it possible to obtain a compact, high-performance electrochemical module with excellent strength and reliability while keeping material and processing costs down.

上述した課題を解決する手段として、本発明の電気化学装置は、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールと、前記電気化学素子または前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記電気化学素子または前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器とを少なくとも有することを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the electrochemical device of the present invention is characterized by having at least the above-mentioned electrochemical element or the above-mentioned electrochemical module, and a fuel converter that generates a reducing component to be supplied to the electrochemical element or the electrochemical module, or that converts a gas containing a reducing component generated by the electrochemical element or the electrochemical module.

本構成によれば、電気化学素子又は電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いて供給される天然ガス等を基に、改質器などの燃料変換器により水素を生成するように構成でき、耐久性・信頼性及び性能に優れた電気化学素子又は電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現できる。また、電気化学モジュールから流通される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現できる。
一方、電気化学素子又は電気化学モジュールを電解セルとして動作させる場合は、電極層に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスが流通され、電極層と対極電極層との間に電圧が印加される。そうすると、電極層において電子eと水分子HOや二酸化炭素分子COが反応して、水素分子Hや一酸化炭素COと酸素イオンO2-となる。発生した酸素イオンO2-は、電解質層を通って対極電極層へ移動する。そして、対極電極層において、酸素イオンO2-が電子を放出して酸素分子Oとなる。以上の反応により、水蒸気を含有するガスが流通する場合には、水分子HOが水素Hと酸素Oとに分解され、二酸化炭素分子COを含有するガスが流通する場合には、一酸化炭素COと酸素Oとに電気分解される。
したがって、水蒸気と二酸化炭素分子COとを含有するガスが流通される場合は、上記電気分解により電気化学素子又は電気化学モジュールで生成した水素及び一酸化炭素等から炭化水素などの種々の化合物を合成する燃料変換器を設けることができる。これにより、燃料変換器が生成した炭化水素等を電気化学素子又は電気化学モジュールに流通する、或いは本システム・装置外に取り出して別途燃料や化学原料として利用することが可能となる。
According to this configuration, when the electrochemical element or electrochemical module is operated as a fuel cell, it can be configured to generate hydrogen using a fuel converter such as a reformer based on natural gas or the like supplied using existing raw fuel supply infrastructure such as city gas, thereby realizing an electrochemical device equipped with an electrochemical element or electrochemical module that is excellent in durability, reliability, and performance. In addition, it becomes easy to build a system for recycling unused fuel gas circulated from the electrochemical module, thereby realizing a highly efficient electrochemical device.
On the other hand, when the electrochemical element or electrochemical module is operated as an electrolysis cell, a gas containing water vapor or carbon dioxide is circulated through the electrode layer, and a voltage is applied between the electrode layer and the counter electrode layer. Then, in the electrode layer, the electrons e - react with the water molecules H 2 O and the carbon dioxide molecules CO 2 to become hydrogen molecules H 2 , carbon monoxide CO, and oxygen ions O 2 - . The generated oxygen ions O 2 - move through the electrolyte layer to the counter electrode layer. Then, in the counter electrode layer, the oxygen ions O 2 - release electrons to become oxygen molecules O 2. By the above reaction, when a gas containing water vapor is circulated, the water molecules H 2 O are decomposed into hydrogen H 2 and oxygen O 2 , and when a gas containing carbon dioxide molecules CO 2 is circulated, the water molecules H 2 O are electrolyzed into carbon monoxide CO and oxygen O 2 .
Therefore, when a gas containing water vapor and carbon dioxide molecules CO2 is circulated, a fuel converter can be provided that synthesizes various compounds such as hydrocarbons from hydrogen and carbon monoxide generated in the electrochemical element or electrochemical module by the above-mentioned electrolysis. This makes it possible to circulate the hydrocarbons generated by the fuel converter to the electrochemical element or electrochemical module, or to extract them from the system/apparatus and use them as fuel or chemical raw materials separately.

上述した課題を解決する手段として、本発明の電気化学装置は、上述の電気化学素子もしくは上述の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有することを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the electrochemical device of the present invention is characterized by having at least the above-mentioned electrochemical element or the above-mentioned electrochemical module, and a power converter that extracts power from the electrochemical element or the electrochemical module or passes power to the electrochemical element or the electrochemical module.

本構成によれば、電力変換器は、電気化学素子もしくは電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、あるいは、電気化学素子もしくは電気化学モジュールに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子もしくは電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、あるいは、電解セルとして作用する。よって、上記構成によれば、燃料等の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換する、あるいは電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学素子等を提供することができる。
なお、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子もしくは電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学素子もしくは電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。また、電気分解に供する場合は、交流電源から直流を得て、電気化学素子もしくは電気化学モジュールへ直流の電力供給できる電気化学装置を構築できるので好ましい。
According to this configuration, the power converter extracts power generated by the electrochemical element or electrochemical module, or passes power to the electrochemical element or electrochemical module. As a result, the electrochemical element or electrochemical module functions as a fuel cell or an electrolysis cell. Thus, according to the above configuration, it is possible to provide an electrochemical element or the like that can improve the efficiency of converting chemical energy such as fuel into electrical energy, or converting electrical energy into chemical energy such as fuel.
For example, when an inverter is used as a power converter, the electric output obtained from an electrochemical element or electrochemical module having excellent durability, reliability, and performance can be boosted or DC can be converted to AC by the inverter, so that the electric output obtained from the electrochemical element or electrochemical module can be easily utilized, which is preferable. In addition, when used for electrolysis, it is preferable because an electrochemical device can be constructed that can obtain DC from an AC power source and supply DC power to an electrochemical element or electrochemical module.

上述した課題を解決する手段として、本発明のエネルギーシステムは、上述の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部とを有することを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the energy system of the present invention is characterized by having the above-mentioned electrochemical device and a waste heat utilization section that reuses the heat discharged from the electrochemical device.

本構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、耐久性・信頼性および性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。なお、電気化学装置から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリットシステムを実現することもできる。 This configuration has an electrochemical device and a waste heat utilization section that reuses the heat discharged from the electrochemical device, making it possible to realize an energy system that is durable, reliable, and has excellent performance, as well as excellent energy efficiency. It is also possible to realize a hybrid system with excellent energy efficiency by combining it with a power generation system that generates electricity by using the combustion heat of unused fuel gas discharged from the electrochemical device.

上述した課題を解決する手段として、本発明の固体酸化物形燃料電池は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせることを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the solid oxide fuel cell of the present invention is characterized by comprising the above-mentioned electrochemical element, and causing a power generation reaction in the electrochemical element.

本構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子を備えた固体酸化物形燃料電池として発電反応を行うことができるので、高耐久・高性能な固体酸化物形燃料電池を得る事ができる。なお、定格運転時に650℃以上の温度域で運転可能な固体酸化物形燃料電池であると、都市ガス等の炭化水素系ガスを原燃料とする燃料電池システムにおいて、原燃料を水素に変換する際に必要となる熱を燃料電池の排熱で賄うことが可能なシステムを構築できるため、燃料電池システムの発電効率を高めることができるので、より好ましい。また、定格運転時に900℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、金属支持型電気化学素子からのCr揮発の抑制効果が高められるのでより好ましく、定格運転時に850℃以下の温度域で運転される固体酸化物形燃料電池であると、Cr揮発の抑制効果を更に高められるので更に好ましい。 According to this configuration, a power generation reaction can be performed as a solid oxide fuel cell equipped with an electrochemical element having excellent durability, reliability, and performance, so that a highly durable and high-performance solid oxide fuel cell can be obtained. In addition, a solid oxide fuel cell that can be operated at a temperature range of 650°C or more during rated operation is more preferable because it can construct a system in which the heat required for converting raw fuel into hydrogen can be supplied by the exhaust heat of the fuel cell in a fuel cell system that uses hydrocarbon gas such as city gas as raw fuel, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell system. In addition, a solid oxide fuel cell that is operated at a temperature range of 900°C or less during rated operation is more preferable because it enhances the effect of suppressing Cr volatilization from the metal-supported electrochemical element, and a solid oxide fuel cell that is operated at a temperature range of 850°C or less during rated operation is even more preferable because it further enhances the effect of suppressing Cr volatilization.

上述した課題を解決する手段として、本発明の固体酸化物形電解セルは、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせることを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, the solid oxide electrolysis cell of the present invention is characterized by comprising the above-mentioned electrochemical element and causing an electrolytic reaction in the electrochemical element.

本構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学素子を備えた固体酸化物形電解セルとして電解反応によるガスの生成を行うことができるので、高耐久・高性能な固体酸化物形電解セルを得る事ができる。 This configuration allows gas to be generated through an electrolytic reaction as a solid oxide electrolysis cell equipped with an electrochemical element that is highly durable, reliable, and high performance, making it possible to obtain a highly durable, high-performance solid oxide electrolysis cell.

電気化学素子の概略図Schematic diagram of an electrochemical device 図1におけるII-II断面図Cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 図1におけるIII-III面図III-III view in FIG. 図1におけるIV-IV断面図IV-IV cross-sectional view in FIG. 図1におけるV-V断面図VV cross-sectional view in FIG. 図1におけるVI-VI断面図VI-VI cross-sectional view in FIG. 図1におけるVII-VII断面図1. Cross-sectional view taken along the line VII-VII in FIG. 図1におけるVIII-VIII断面図Cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 図1におけるIX-IX断面図IX-IX cross-sectional view in FIG. 電気化学反応部の要部拡大図Enlarged view of the electrochemical reaction section 電気化学モジュールの概略図Schematic diagram of the electrochemical module エネルギーシステムの概略図Energy system diagram 別の形態に係る電気化学モジュールの説明図FIG. 1 is an explanatory diagram of an electrochemical module according to another embodiment. 別のエネルギーシステムの概略図Schematic diagram of alternative energy systems 環状スペーサの斜視図A perspective view of an annular spacer 環状スペーサの平面図Plan view of an annular spacer 電気化学素子の断面図Cross-section of an electrochemical device 環状スペーサの斜視図A perspective view of an annular spacer 環状スペーサの平面図Plan view of an annular spacer 電気化学素子の断面図Cross-section of an electrochemical device

以下に、本発明の環状スペーサ、電気化学素子、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形電解セルを説明する。尚、以下に好適な実施例を記すが、これら実施例はそれぞれ、本発明をより具体的に例示するために記載されたものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能であり、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。なお、層の位置関係などを表す際、例えば電極層から見て電解質層の側を「上」「上側」、第一板状体の側を「下」「下側」などと呼ぶ。 The annular spacer, electrochemical element, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell of the present invention are described below. Note that although preferred examples are described below, these examples are described to more specifically illustrate the present invention, and various modifications are possible within the scope of the present invention, and the present invention is not limited to the following description. Note that when describing the positional relationship of layers, for example, the side of the electrolyte layer as viewed from the electrode layer is called "upper" or "upper side", and the side of the first plate-like body is called "lower" or "lower side", etc.

(電気化学素子)
図1~図9に示すように、電気化学素子Aは、導電性の第一板状体1と導電性の第二板状体2との対向面間に形成された内部流路A1を有する板状支持体10を備え、板状支持体10は、当該板状支持体10を構成する第一板状体1及び第二板状体2の少なくとも一部において、当該板状支持体10の内側である内部流路A1と外側とに亘って気体を透過できる気体通流許容部1Aと、気体通流許容部1Aの全部又は一部を被覆する状態で、膜状の電極層31と膜状の電解質層32と膜状の対極電極層33とを記載順に有する電気化学反応部3とを備える(図5~図9参照)。また、板状支持体10には、表面貫通方向外方から内部流路A1にたとえば燃料ガス等の還元性成分ガス及びたとえば空気等の酸化性成分ガスのうちの一方である第一ガスを流通する供給路4を形成する第一貫通部41を一端部側に備え、内部流路A1を通流した第一ガスを板状支持体10の表面貫通方向外方へ流通する排出路5を形成する第二貫通部51を他端部側に備える(図1、図3,図8,図9参照、尚、供給路4等と排出路5等とは対称形にて同様の構造であることも理解される)。
(Electrochemical element)
As shown in Figures 1 to 9, the electrochemical element A comprises a plate-like support 10 having an internal flow path A1 formed between opposing surfaces of a conductive first plate-like body 1 and a conductive second plate-like body 2. The plate-like support 10 comprises, in at least a part of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 constituting the plate-like support 10, a gas flow-permitting portion 1A that allows gas to pass between the internal flow path A1 on the inside of the plate-like support 10 and the outside, and an electrochemical reaction portion 3 that has, in the stated order, a membrane-like electrode layer 31, a membrane-like electrolyte layer 32, and a membrane-like counter electrode layer 33 in a state covering all or a part of the gas flow-permitting portion 1A (see Figures 5 to 9). Furthermore, the plate-shaped support 10 has a first through portion 41 at one end forming a supply passage 4 through which a first gas, which is one of a reducing component gas such as a fuel gas and an oxidizing component gas such as air, flows from the outside in the surface-penetrating direction into the internal flow passage A1, and a second through portion 51 at the other end forming an exhaust passage 5 through which the first gas that has passed through the internal flow passage A1 flows outward in the surface-penetrating direction of the plate-shaped support 10 (see Figures 1, 3, 8, and 9; it will also be understood that the supply passages 4, etc. and the exhaust passages 5, etc. are symmetrical and have similar structures).

(板状支持体)
第一板状体1は、電極層31と電解質層32と対極電極層33とを有する電気化学反応部3を支持して電気化学素子Aの強度を保つ役割を担う。第一板状体1の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、第一板状体1は、Crを18質量%以上25質量%以下含有するFe-Cr系合金を用いているが、Mnを0.05質量%以上含有するFe-Cr系合金、Tiを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金、Zrを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金、TiおよびZrを含有しTiとZrとの合計の含有量が0.15質量%以上1.0質量%以下であるFe-Cr系合金、Cuを0.10質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金であると特に好適である。
(Plate-shaped support)
The first plate-like body 1 supports the electrochemical reaction section 3 having the electrode layer 31, the electrolyte layer 32, and the counter electrode layer 33, and plays a role in maintaining the strength of the electrochemical element A. The material of the first plate-like body 1 is a material having excellent electronic conductivity, heat resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance. For example, ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, nickel-based alloys, etc. are used. In particular, alloys containing chromium are preferably used. In this embodiment, the first plate-like body 1 uses an Fe—Cr-based alloy containing 18% by mass or more and 25% by mass or less of Cr. However, particularly preferred are an Fe—Cr-based alloy containing 0.05% by mass or more of Mn, an Fe—Cr-based alloy containing 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less of Ti, an Fe—Cr-based alloy containing 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less of Zr, an Fe—Cr-based alloy containing Ti and Zr in which the total content of Ti and Zr is 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less, and an Fe—Cr-based alloy containing 0.10% by mass or more and 1.0% by mass or less of Cu.

第二板状体2は、第一板状体1と重ね合わされた状態で、周縁部1aを溶接一体化されて板状支持体10を構成する(図2~図9参照)。第二板状体2は、第一板状体1に対して複数に分割されていてもよく、逆に第一板状体1が第二板状体2に対して複数に分割された状態であってもよい。また、一体化するに際して、溶接に替え、接着、嵌合等他の手段を採用することができ、内部流路を外部と区画して形成できるのであれば、周縁部1a以外の部分で一体化してもよい。 The second plate-like body 2 is overlapped with the first plate-like body 1 and integrated with it by welding the peripheral portion 1a to form the plate-like support body 10 (see Figures 2 to 9). The second plate-like body 2 may be divided into multiple pieces relative to the first plate-like body 1, or conversely, the first plate-like body 1 may be divided into multiple pieces relative to the second plate-like body 2. In addition, when integrating, other means such as adhesion or fitting can be used instead of welding, and as long as the internal flow path can be formed separately from the outside, integration may be possible at a portion other than the peripheral portion 1a.

第一板状体1は全体として板状である。そして、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔11を多数設けてなる気体通流許容部1Aを有する(図5~図9参照)。なお、例えば、貫通孔11は、レーザー加工などにより、第一板状体1に設けることができる。貫通孔11は、第一板状体1の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。気体通流許容部1Aは、第一板状体1における電極層31が設けられる領域より小さい領域に設けられることが好ましい。 The first plate-like body 1 is generally plate-shaped. It has a gas flow-permitting portion 1A having a large number of through holes 11 that penetrate the front surface and the back surface (see Figures 5 to 9). For example, the through holes 11 can be provided in the first plate-like body 1 by laser processing or the like. The through holes 11 have the function of allowing gas to pass from the back surface of the first plate-like body 1 to the front surface. It is preferable that the gas flow-permitting portion 1A is provided in an area of the first plate-like body 1 that is smaller than the area in which the electrode layer 31 is provided.

第一板状体1にはその表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層12(後述、図10参照)が設けられる。すなわち、第一板状体1と後述する電極層31との間に、拡散抑制層が形成されている。金属酸化物層12は、第一板状体1の外部に露出した面だけでなく、電極層31との接触面(界面)にも設けられる。また、貫通孔11の内側の面に設けることもできる。この金属酸化物層12により、第一板状体1と電極層31との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、第一板状体1としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層12が主にクロム酸化物となる。そして、第一板状体1のクロム原子等が電極層31や電解質層32へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層12が抑制する。金属酸化物層12の厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。 The first plate-shaped body 1 has a metal oxide layer 12 (see FIG. 10, described later) on its surface as a diffusion suppression layer. That is, the diffusion suppression layer is formed between the first plate-shaped body 1 and the electrode layer 31 described later. The metal oxide layer 12 is provided not only on the surface exposed to the outside of the first plate-shaped body 1, but also on the contact surface (interface) with the electrode layer 31. It can also be provided on the inner surface of the through hole 11. This metal oxide layer 12 can suppress interdiffusion of elements between the first plate-shaped body 1 and the electrode layer 31. For example, when ferritic stainless steel containing chromium is used as the first plate-shaped body 1, the metal oxide layer 12 is mainly chromium oxide. The metal oxide layer 12, which is mainly composed of chromium oxide, suppresses the diffusion of chromium atoms, etc. of the first plate-shaped body 1 into the electrode layer 31 and the electrolyte layer 32. The thickness of the metal oxide layer 12 may be any thickness that can achieve both high diffusion prevention performance and low electrical resistance.

金属酸化物層12は種々の手法により形成されうるが、第一板状体1の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、第一板状体1の表面に、金属酸化物層12をスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、スパッタリング法やPLD法等のPVD法、CVD法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層12は導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。 The metal oxide layer 12 can be formed by various methods, but a method of oxidizing the surface of the first plate-like body 1 to form a metal oxide is preferably used. The metal oxide layer 12 may also be formed on the surface of the first plate-like body 1 by a spray coating method (such as a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method such as a sputtering method or a PLD method, a CVD method, or by plating and oxidation treatment. Furthermore, the metal oxide layer 12 may contain a highly conductive spinel phase, etc.

第一板状体1としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、電極層31や電解質層32の材料であるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア、CGOとも呼ぶ)等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Aがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できるので好ましい。なお、第一板状体1は、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔11を有する。なお、例えば、貫通孔11は、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、第一板状体1に設けることができる。貫通孔11は、第一板状体1の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。第一板状体1に気体透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。例えば、第一板状体1は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。 When a ferritic stainless steel material is used as the first plate-like body 1, the thermal expansion coefficient is close to that of YSZ (yttria-stabilized zirconia) and GDC (gadolinium-doped ceria, also called CGO), which are materials for the electrode layer 31 and the electrolyte layer 32. Therefore, the electrochemical element A is less likely to be damaged even when a low-temperature and high-temperature temperature cycle is repeated. This is preferable because it allows the electrochemical element A to have excellent long-term durability. The first plate-like body 1 has a plurality of through holes 11 that penetrate the front surface and the back surface. For example, the through holes 11 can be formed in the first plate-like body 1 by mechanical, chemical, or optical drilling. The through holes 11 have the function of allowing gas to pass from the back surface of the first plate-like body 1 to the front surface. It is also possible to use a porous metal to give the first plate-like body 1 gas permeability. For example, the first plate-like body 1 can be made of a sintered metal, a foamed metal, or the like.

第二板状体2は、第一板状体1の気体通流許容部1Aに対向する領域において、一端部側から他端部側に向かう複数の副流路A11、A11………を備えた内部流路A1を形成する波板状に形成される(図1,図5参照)。また、第二板状体2は、表裏両面とも波板状に形成されており、内部流路A1を区画形成する面の反対面は、隣接する電気化学素子Aの電気化学反応部3に電気的に接続し、波型形状の第二板状体2が第一板状体1と接触する部分の近傍に形成される通路が、通流部A2として機能する。この副流路A11は長方形状に形成される板状支持体10の長辺に沿って複数平行に設けられており、一端部に設けられる供給路4から他端部に設けられる排出路5に至る内部流路A1を構成する。また、第一貫通部41と内部流路A1との接続箇所は、第一板状体1との接触部分から下方に膨出させてなり、第一貫通部41ら流通される第一ガスを副流路A11の夫々に分配する分配部A12を備え(図1参照)、第二貫通部51と内部流路A1の接続箇所は、第一板状体1との接触部分から下方に膨出させてなり、副流路A11のそれぞれを通流した第一ガスを集約して第二貫通部51に導く合流部A13を備える(図1,図3,図4,図6~図9参照、尚、供給路4等と排出路5等とは対称形にて同様の構造であることも理解される)。また、第二板状体2の材料については、耐熱性の金属であることが好ましく、第一板状体1との熱膨張差の低減や、溶接などの接合性の信頼性確保の観点から、第一板状体1と同じ材料であれば、より好ましい。 The second plate-like body 2 is formed in a corrugated shape to form an internal flow path A1 having a plurality of sub-flow paths A11, A11 ... from one end side to the other end side in the region facing the gas flow permitting portion 1A of the first plate-like body 1 (see Figs. 1 and 5). In addition, both the front and back sides of the second plate-like body 2 are formed in a corrugated shape, and the surface opposite to the surface that defines the internal flow path A1 is electrically connected to the electrochemical reaction portion 3 of the adjacent electrochemical element A, and the passage formed near the portion where the corrugated second plate-like body 2 contacts the first plate-like body 1 functions as the flow portion A2. A plurality of sub-flow paths A11 are provided in parallel along the long side of the plate-like support body 10 formed in a rectangular shape, and constitute the internal flow path A1 from the supply path 4 provided at one end to the discharge path 5 provided at the other end. In addition, the connection between the first through-portion 41 and the internal flow passage A1 is formed by bulging downward from the contact portion with the first plate-like body 1, and is provided with a distribution portion A12 that distributes the first gas flowing from the first through-portion 41 to each of the sub-flow passages A11 (see FIG. 1), and the connection between the second through-portion 51 and the internal flow passage A1 is formed by bulging downward from the contact portion with the first plate-like body 1, and is provided with a junction portion A13 that collects the first gas that has flowed through each of the sub-flow passages A11 and leads it to the second through-portion 51 (see FIGS. 1, 3, 4, 6 to 9, and it is understood that the supply passage 4 and the discharge passage 5 are symmetrical and have the same structure). In addition, the material of the second plate-like body 2 is preferably a heat-resistant metal, and is more preferably the same material as the first plate-like body 1 from the viewpoint of reducing the thermal expansion difference with the first plate-like body 1 and ensuring the reliability of joining such as welding.

(電気化学反応部)
(電極層)
電極層31は、図5~10に示すように、第一板状体1の表側の面であって貫通孔11が設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通孔11が設けられた領域の全体が、電極層31に覆われている。つまり、貫通孔11は第一板状体1における電極層31が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔11が電極層31に面して設けられている。
(Electrochemical reaction section)
(Electrode layer)
As shown in Figs. 5 to 10, the electrode layer 31 can be provided in a thin layer on the front surface of the first plate-like body 1 in an area larger than the area where the through holes 11 are provided. When the electrode layer 31 is provided as a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 µm to 100 µm, preferably 5 µm to 50 µm. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient electrode performance while reducing the amount of expensive electrode layer material used to reduce costs. The entire area where the through holes 11 are provided is covered with the electrode layer 31. That is, the through holes 11 are formed inside the area where the electrode layer 31 is formed in the first plate-like body 1. In other words, all the through holes 11 are provided facing the electrode layer 31.

電極層31は、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。
すなわち電極層31は、多孔質な層として形成される。電極層31は、例えば、その緻密度が30%以上80%未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、(1-空孔率)と表すことができ、また、相対密度と同等である。
The electrode layer 31 has a plurality of pores inside and on the surface thereof to provide gas permeability.
That is, the electrode layer 31 is formed as a porous layer. The electrode layer 31 is formed, for example, so that its density is 30% or more and less than 80%. The size of the pores can be appropriately selected so that the electrochemical reaction proceeds smoothly. Note that the density is the ratio of the space occupied by the material constituting the layer, and can be expressed as (1-porosity), and is equivalent to the relative density.

電極層31の材料としては、例えばNiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuOCeO2、CuCeO2などの複合材を用いることができる。これらの例では、GDC、YSZ、CeO2を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、電極層31は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な電極層31が得られる。そのため、第一板状体1を傷めることなく、また、第一板状体1と電極層31との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 The material of the electrode layer 31 may be, for example, a composite material such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO - CeO2 , or Cu - CeO2 . In these examples, GDC, YSZ, and CeO2 may be called aggregates of the composite material. The electrode layer 31 is preferably formed by a low-temperature firing method (for example, a wet method using firing in a low-temperature range without firing in a high-temperature range higher than 1100°C), a spray coating method (such as a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulsed laser deposition method), or a CVD method. By using these processes that can be used in a low-temperature range, a good electrode layer 31 can be obtained without firing in a high-temperature range higher than 1100°C. Therefore, it is preferable because it is possible to realize an electrochemical element A having excellent durability without damaging the first plate-like body 1 and suppressing interdiffusion of elements between the first plate-like body 1 and the electrode layer 31. Furthermore, it is even more preferable to use a low-temperature firing method because it makes it easier to handle the raw materials.

(中間層)
中間層34は、電極層31を覆った状態で、電極層31の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは4μm~25μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層34の材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層34の材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
(Middle class)
The intermediate layer 34 can be formed as a thin layer on the electrode layer 31 while covering the electrode layer 31. When the intermediate layer 34 is a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, and more preferably about 4 μm to 25 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of expensive material used for the intermediate layer 34, thereby reducing costs, while ensuring sufficient performance. As the material for the intermediate layer 34, for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), SDC (samarium-doped ceria), etc. can be used. In particular, ceria-based ceramics are preferably used.

中間層34は、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層34が得られる。そのため、第一板状体1を傷めることなく、第一板状体1と電極層31との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 The intermediate layer 34 is preferably formed by a low-temperature firing method (e.g., a wet method using firing in a low-temperature range without firing in a high-temperature range higher than 1100°C), a spray coating method (thermal spraying, aerosol deposition, aerosol gas deposition, powder jet deposition, particle jet deposition, cold spray, etc.), a PVD method (sputtering, pulse laser deposition, etc.), a CVD method, etc. These film formation processes that can be used in a low-temperature range can obtain the intermediate layer 34 without firing in a high-temperature range higher than 1100°C, for example. Therefore, it is possible to suppress interdiffusion of elements between the first plate-like body 1 and the electrode layer 31 without damaging the first plate-like body 1, and to realize an electrochemical element A with excellent durability. In addition, using a low-temperature firing method is even more preferable because it makes it easier to handle the raw materials.

中間層34としては、酸素イオン(酸化物イオン)伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン(酸化物イオン)と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層は、電気化学素子Aへの適用に適している。 It is preferable that the intermediate layer 34 has oxygen ion (oxide ion) conductivity. It is even more preferable that the intermediate layer 34 has mixed conductivity of oxygen ions (oxide ions) and electrons. An intermediate layer having these properties is suitable for application to the electrochemical element A.

また電極層31において、サーメット材の骨材の含有比、緻密度、および強度を電極層31の下側から上側にかけて連続的に増加するように構成してもよい。この場合、電極層31は層として明確に区別できる領域を持たなくてもよい。しかしこの場合であっても、電極層31における第一板状体1に隣接する部位(下方部位)に比べ、電解質層32に隣接する部位(上方部位)におけるサーメット材の骨材の含有比、緻密度、強度等を高くすることも可能である。 The electrode layer 31 may also be configured so that the content ratio, density, and strength of the aggregate of the cermet material increase continuously from the lower side to the upper side of the electrode layer 31. In this case, the electrode layer 31 does not need to have regions that can be clearly distinguished as layers. However, even in this case, it is possible to increase the content ratio, density, strength, etc. of the aggregate of the cermet material in the portion of the electrode layer 31 adjacent to the electrolyte layer 32 (upper portion) compared to the portion of the electrode layer 31 adjacent to the first plate-like body 1 (lower portion).

(電解質層)
図5~図10に示すように、電解質層32は、電極層31および中間層34を覆った状態で、前記中間層の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは、電解質層32は、中間層34の上と第一板状体1の上とにわたって(跨って)設けられる。このように構成し、電解質層32を第一板状体1に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
(Electrolyte layer)
5 to 10, the electrolyte layer 32 is formed in a thin layer state on the electrode layer 31 and the intermediate layer 34 while covering the intermediate layer. Alternatively, the electrolyte layer 32 may be formed in a thin film state having a thickness of 10 μm or less. More specifically, the electrolyte layer 32 is provided across (straddling) the intermediate layer 34 and the first plate-like body 1. By configuring in this way and joining the electrolyte layer 32 to the first plate-like body 1, the electrochemical element as a whole can be made to have excellent robustness.

また電解質層32は、図5に示すように、第一板状体1の表側の面であって貫通孔11が設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔11は第一板状体1における電解質層32が形成された領域の内側に形成されている。 As shown in FIG. 5, the electrolyte layer 32 is provided on the front surface of the first plate-like body 1 in an area larger than the area in which the through-hole 11 is provided. In other words, the through-hole 11 is formed inside the area in which the electrolyte layer 32 is formed in the first plate-like body 1.

また電解質層32の周囲においては、電極層31および前記中間層(図示せず)からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、電気化学素子AをSOFCの構成要素として用いる場合、SOFCの作動時には、第一板状体1の裏側から貫通孔11を通じて電極層31へガスが供給される。電解質層32が第一板状体1に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層32によって電極層31の周囲をすべて覆っているが、電極層31および前記中間層の上部に電解質層32を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。 In addition, gas leakage from the electrode layer 31 and the intermediate layer (not shown) can be suppressed around the electrolyte layer 32. To explain, when the electrochemical element A is used as a component of an SOFC, gas is supplied to the electrode layer 31 from the back side of the first plate-like body 1 through the through hole 11 during operation of the SOFC. In the area where the electrolyte layer 32 contacts the first plate-like body 1, gas leakage can be suppressed without providing a separate member such as a gasket. Note that, although the electrolyte layer 32 covers the entire periphery of the electrode layer 31 in this embodiment, a configuration in which the electrolyte layer 32 is provided on top of the electrode layer 31 and the intermediate layer and a gasket or the like is provided around the periphery may also be used.

電解質層32の材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)、LSGM(ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート)等の酸素イオンを伝導する電解質材料や、ペロブスカイト型酸化物等の水素イオンを伝導する電解質材料を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層32をジルコニア系セラミックスとすると、電気化学素子Aを用いたSOFCの稼働温度をセリア系セラミックスや種々の水素イオン伝導性材料に比べて高くすることができる。例えば電気化学素子AをSOFCに用いる場合、電解質層32の材料としてYSZのような650℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやLPG等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってSOFCのアノードガスとするシステム構成とすると、SOFCのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なSOFCシステムを構築することができる。 As the material of the electrolyte layer 32, electrolyte materials that conduct oxygen ions, such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), SDC (samarium-doped ceria), and LSGM (strontium-magnesium-doped lanthanum gallate), and electrolyte materials that conduct hydrogen ions, such as perovskite-type oxides, can be used. In particular, zirconia-based ceramics are preferably used. When the electrolyte layer 32 is made of zirconia-based ceramics, the operating temperature of the SOFC using the electrochemical element A can be made higher than that of ceria-based ceramics and various hydrogen ion conductive materials. For example, when electrochemical element A is used in an SOFC, a material that can exhibit high electrolyte performance even at high temperatures of 650°C or higher, such as YSZ, is used as the material for electrolyte layer 32, and a hydrocarbon-based raw fuel such as city gas or LPG is used as the raw fuel for the system. The raw fuel is converted into SOFC anode gas by steam reforming or the like, making it possible to construct a highly efficient SOFC system in which the heat generated in the SOFC cell stack is used to reform the raw fuel gas.

電解質層32は、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD(化学気相成長)法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層32が得られる。そのため、第一板状体1の損傷を抑制し、また、第一板状体1と電極層31との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層32が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。 The electrolyte layer 32 is preferably formed by a low-temperature firing method (e.g., a wet method using firing at a low temperature range without firing at a high temperature range exceeding 1100 ° C), a spray coating method (thermal spraying, aerosol deposition, aerosol gas deposition, powder jet deposition, particle jet deposition, cold spray, etc.), a PVD method (sputtering, pulse laser deposition, etc.), a CVD (chemical vapor deposition) method, etc. These film formation processes that can be used in the low temperature range can obtain an electrolyte layer 32 that is dense, airtight, and has high gas barrier properties without firing at a high temperature range exceeding 1100 ° C., for example. Therefore, damage to the first plate-like body 1 can be suppressed, and the interdiffusion of elements between the first plate-like body 1 and the electrode layer 31 can be suppressed, and an electrochemical element A with excellent performance and durability can be realized. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method or a spray coating method, etc., because it is possible to realize a low-cost element. Furthermore, spray coating is more preferable because it is easy to obtain a dense electrolyte layer 32 with high airtightness and gas barrier properties at low temperatures.

電解質層32は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層32の緻密度は90%以上が好ましく、95%以上であるとより好ましく、98%以上であると更に好ましい。電解質層32は、均一な層である場合は、その緻密度が95%以上であると好ましく、98%以上であるとより好ましい。また、電解質層32が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が98%以上である層(緻密電解質層)を含んでいると好ましく、99%以上である層(緻密電解質層)を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層32の一部に含まれていると、電解質層32が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層32を形成しやすくできるからである。 The electrolyte layer 32 is densely constructed to prevent gas leakage of the anode gas and the cathode gas and to exhibit high ion conductivity. The density of the electrolyte layer 32 is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and even more preferably 98% or more. When the electrolyte layer 32 is a uniform layer, the density is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more. When the electrolyte layer 32 is constructed in a multi-layered structure, it is preferable that at least a part of the electrolyte layer 32 includes a layer (dense electrolyte layer) having a density of 98% or more, and more preferably includes a layer (dense electrolyte layer) having a density of 99% or more. If such a dense electrolyte layer is included in a part of the electrolyte layer 32, it is easy to form an electrolyte layer 32 that is dense, airtight, and has high gas barrier properties, even when the electrolyte layer 32 is constructed in a multi-layered structure.

(反応防止層)
反応防止層35は、電解質層32の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは3μm~15μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。前記反応防止層の材料としては、電解質層32の成分と対極電極層33の成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層35の材料として、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有し、これら元素の含有率の合計が1.0質量%以上10質量%以下であるとよい。反応防止層35を電解質層32と対極電極層33との間に導入することにより、対極電極層33の構成材料と電解質層32の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Aの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層35の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、第一板状体1の損傷を抑制し、また、第一板状体1と電極層31との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
(Reaction prevention layer)
The reaction prevention layer 35 can be formed in a thin layer state on the electrolyte layer 32. When the reaction prevention layer 35 is a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, and more preferably about 3 μm to 15 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of expensive reaction prevention layer material used to reduce costs while ensuring sufficient performance. The material of the reaction prevention layer may be any material that can prevent the reaction between the components of the electrolyte layer 32 and the components of the counter electrode layer 33, and for example, a ceria-based material is used. In addition, a material containing at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd, and Y is preferably used as the material of the reaction prevention layer 35. It is preferable that the reaction prevention layer 35 contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd, and Y, and the total content of these elements is 1.0 mass% or more and 10 mass% or less. By introducing the reaction prevention layer 35 between the electrolyte layer 32 and the counter electrode layer 33, the reaction between the constituent material of the counter electrode layer 33 and the constituent material of the electrolyte layer 32 is effectively suppressed, and the long-term stability of the performance of the electrochemical element A can be improved. The reaction prevention layer 35 is preferably formed by a method that can be formed at a processing temperature of 1100° C. or less, since it can suppress damage to the first plate-like body 1 and also suppress interdiffusion of elements between the first plate-like body 1 and the electrode layer 31, thereby realizing an electrochemical element A with excellent performance and durability. For example, it can be formed by a low-temperature firing method (for example, a wet method using a firing process in a low-temperature range that does not include a firing process in a high-temperature range exceeding 1100° C.), a spray coating method (a method such as a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (a sputtering method, a pulsed laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like, as appropriate. In particular, low-temperature firing or spray coating is preferable because it allows low-cost devices to be realized. Furthermore, low-temperature firing is even more preferable because it allows easy handling of raw materials.

(対極電極層)
図5~図10に示すように、対極電極層33を、電解質層32もしくは反応防止層35の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な対極電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。対極電極層33の材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特に対極電極層33が、La、Sr、Sm、Mn、CoおよびFeからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成される対極電極層33は、カソードとして機能する。
(Counter electrode layer)
As shown in FIGS. 5 to 10, the counter electrode layer 33 can be formed in a thin layer state on the electrolyte layer 32 or the reaction prevention layer 35. When the counter electrode layer 33 is formed as a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient electrode performance while reducing the amount of expensive counter electrode layer material used to reduce costs. As the material for the counter electrode layer 33, for example, composite oxides such as LSCF and LSM, ceria-based oxides, and mixtures thereof can be used. In particular, it is preferable that the counter electrode layer 33 contains a perovskite-type oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co, and Fe. The counter electrode layer 33 formed using the above materials functions as a cathode.

なお、対極電極層33の形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、第一板状体1の損傷を抑制し、また、第一板状体1と電極層31との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Aを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PDV法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 The counter electrode layer 33 is preferably formed by a method capable of forming the layer at a processing temperature of 1100°C or less, since it can suppress damage to the first plate-like body 1 and also suppress interdiffusion of elements between the first plate-like body 1 and the electrode layer 31, thereby realizing an electrochemical element A with excellent performance and durability. For example, the low-temperature firing method (for example, a wet method using a firing process in a low-temperature range without firing at a high temperature range exceeding 1100°C), the spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc.), the PDV method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), the CVD method, etc. can be appropriately used. In particular, the low-temperature firing method and the spray coating method are preferable because they can realize a low-cost element. Furthermore, the low-temperature firing method is even more preferable because it makes it easier to handle the raw materials.

このような電気化学反応部3を構成することで、例えば、第一板状体1の裏側の面から貫通孔11を通じて第一ガスとしての水素を含む燃料ガスを電極層31へ流通し、電極層31の対極となる対極電極層33へ第二ガスとしての空気を流通し、例えば、500℃以上900℃以下の作動温度に維持する。そうすると、電解質層32に酸素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、対極電極層33において空気に含まれる酸素Oが電子eと反応して酸素イオンO2-が生成される。その酸素イオンO2-が電解質層32を通って電極層31へ移動する。電極層31においては、流通された燃料ガスに含まれる水素Hが酸素イオンO2-と反応し、水HOと電子eが生成される。電解質層32に水素イオンを伝導する電解質材料を用いた場合には、電極層31において流通された燃料ガスに含まれる水素Hが電子eを放出して水素イオンHが生成される。その水素イオンHが電解質層32を通って対極電極層33へ移動する。対極電極層33において空気に含まれる酸素Oと水素イオンH、電子eが反応し水HOが生成される。以上の反応により、電極層31と対極電極層33との間に電気化学出力として起電力が発生する。この場合、電極層31は燃料電池の燃料極(アノード)として機能し、対極電極層33は空気極(カソード)として機能する。 By configuring such an electrochemical reaction unit 3, for example, a fuel gas containing hydrogen as a first gas is circulated from the back surface of the first plate-like body 1 through the through hole 11 to the electrode layer 31, and air as a second gas is circulated to the counter electrode layer 33 which is the counter electrode of the electrode layer 31, and the operating temperature is maintained at, for example, 500°C to 900°C. Then, when an electrolyte material that conducts oxygen ions is used for the electrolyte layer 32, oxygen O 2 contained in the air reacts with electrons e - in the counter electrode layer 33 to generate oxygen ions O 2- . The oxygen ions O 2- move through the electrolyte layer 32 to the electrode layer 31. In the electrode layer 31, hydrogen H 2 contained in the circulated fuel gas reacts with oxygen ions O 2- to generate water H 2 O and electrons e - . When an electrolyte material that conducts hydrogen ions is used for the electrolyte layer 32, hydrogen H 2 contained in the circulated fuel gas in the electrode layer 31 releases electrons e - to generate hydrogen ions H + . The hydrogen ions H + move through the electrolyte layer 32 to the counter electrode layer 33. In the counter electrode layer 33, oxygen O2 contained in the air reacts with the hydrogen ions H + and electrons e- to produce water H2O . Due to the above reaction, an electromotive force is generated as an electrochemical output between the electrode layer 31 and the counter electrode layer 33. In this case, the electrode layer 31 functions as the fuel electrode (anode) of the fuel cell, and the counter electrode layer 33 functions as the air electrode (cathode).

また、図5~図9にて省略したが、図10に示すように、本実施の形態では、電気化学反応部3は電極層31と電解質層32との間に中間層34を備える。さらに、電解質層32と対極電極層33との間には反応防止層35が設けられる。 Although omitted in Figs. 5 to 9, in this embodiment, as shown in Fig. 10, the electrochemical reaction unit 3 has an intermediate layer 34 between the electrode layer 31 and the electrolyte layer 32. Furthermore, a reaction prevention layer 35 is provided between the electrolyte layer 32 and the counter electrode layer 33.

(電気化学反応部の製造方法)
次に、電気化学反応部3の製造方法について説明する。尚、図5~図9においては、下記中間層34及び反応防止層35を省略した記述としているので、ここでは、主に図10を用いて説明する。
(Method of manufacturing electrochemical reaction section)
Next, a method for manufacturing the electrochemical reaction section 3 will be described. Note that since the intermediate layer 34 and the reaction prevention layer 35 described below are omitted in Fig. 5 to Fig. 9, the description will be given mainly with reference to Fig. 10.

(電極層形成ステップ)
電極層形成ステップでは、第一板状体1の表側の面の貫通孔11が設けられた領域より広い領域に電極層31が薄膜の状態で形成される。第一板状体1の貫通孔11はレーザー加工等によって設けることができる。電極層31の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第一板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Electrode layer formation step)
In the electrode layer forming step, the electrode layer 31 is formed in a thin film state in an area wider than the area where the through holes 11 are provided on the front surface of the first plate-like body 1. The through holes 11 of the first plate-like body 1 can be provided by laser processing or the like. As described above, the electrode layer 31 can be formed by a low-temperature firing method (a wet method in which firing is performed in a low temperature range of 1100 ° C or less), a spray coating method (a method such as a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, etc.), a PVD method (a sputtering method, a pulsed laser deposition method, etc.), a CVD method, etc. In any case, it is preferable to perform the method at a temperature of 1100 ° C or less in order to suppress deterioration of the first plate-like body 1.

電極層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず電極層31の材料粉末と溶媒(分散媒)とを混合して材料ペーストを作製し、第一板状体1の表側の面に塗布し、800℃~1100℃で焼成する。 When the electrode layer formation step is performed using a low-temperature firing method, it is specifically performed as follows. First, the material powder of the electrode layer 31 is mixed with a solvent (dispersion medium) to prepare a material paste, which is then applied to the front surface of the first plate-like body 1 and fired at 800°C to 1100°C.

(拡散抑制層形成ステップ)
上述した電極層形成ステップにおける焼成工程時に、第一板状体1の表面に金属酸化物層12(拡散抑制層)が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層12(拡散抑制層)が形成されるので好ましい。電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、第一板状体1の損傷を抑制可能な1100℃以下の処理温度で実施することが望ましい。
(Diffusion suppression layer formation step)
During the firing process in the electrode layer formation step described above, a metal oxide layer 12 (diffusion suppression layer) is formed on the surface of the first plate-like body 1. If the firing process includes a firing process in which the firing atmosphere is under atmospheric conditions with a low oxygen partial pressure, the interdiffusion suppression effect of elements is high and a good quality metal oxide layer 12 (diffusion suppression layer) with a low resistance value is formed, which is preferable. The electrode layer formation step may include a separate diffusion suppression layer formation step, including a case where a coating method without firing is used. In either case, it is preferable to perform the process at a processing temperature of 1100° C. or less, which is capable of suppressing damage to the first plate-like body 1.

(中間層形成ステップ)
中間層形成ステップでは、電極層31を覆う形態で、電極層31の上に中間層34が薄層の状態で形成される。中間層34の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第一板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Intermediate layer forming step)
In the intermediate layer forming step, the intermediate layer 34 is formed in a thin layer state on the electrode layer 31 so as to cover the electrode layer 31. As described above, the intermediate layer 34 can be formed by a low-temperature firing method (a wet method in which firing is performed in a low-temperature range of 1100°C or less), a spray coating method (a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, or the like), a PVD method (a sputtering method, a pulsed laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like. In any case, it is preferable to perform the method at a temperature of 1100°C or less in order to suppress deterioration of the first plate-like body 1.

中間層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。
まず、中間層34の材料粉末と溶媒(分散媒)とを混合して材料ペーストを作製し、第一板状体1の表側の面に塗布する。そして中間層34を圧縮成形し(中間層平滑化工程)、1100℃以下で焼成する(中間層焼成工程)。中間層34の圧延は、例えば、CIP(Cold Isostatic Pressing 、冷間静水圧加圧)成形、ロール加圧成形、RIP(Rubber Isostatic Pressing)成形などにより行うことができる。また、中間層34の焼成は、800℃以上1100℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、第一板状体1の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層34を形成できるためである。また、中間層34の焼成を1050℃以下で行うとより好ましく、1000℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層34の焼成温度を低下させる程に、第一板状体1の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Aを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことによって行うことでもできる。
When the intermediate layer forming step is carried out by a low-temperature firing method, it is specifically carried out as follows.
First, the material powder of the intermediate layer 34 and a solvent (dispersion medium) are mixed to prepare a material paste, which is then applied to the front surface of the first plate-like body 1. The intermediate layer 34 is then compression molded (intermediate layer smoothing step) and fired at 1100°C or less (intermediate layer firing step). The intermediate layer 34 can be rolled by, for example, CIP (Cold Isostatic Pressing) molding, roll pressure molding, RIP (Rubber Isostatic Pressing) molding, etc. In addition, it is preferable to fire the intermediate layer 34 at a temperature of 800°C or more and 1100°C or less. This is because such a temperature makes it possible to form a high-strength intermediate layer 34 while suppressing damage and deterioration of the first plate-like body 1. In addition, it is more preferable to fire the intermediate layer 34 at 1050°C or less, and even more preferable to fire it at 1000°C or less. This is because the lower the firing temperature of the intermediate layer 34, the more the electrochemical element A can be formed while suppressing damage and deterioration of the first plate-like body 1. In addition, the order of the intermediate layer smoothing step and the intermediate layer firing step can be reversed.
The intermediate layer smoothing step can also be carried out by lapping, leveling, cutting and polishing the surface, or the like.

(電解質層形成ステップ)
電解質層形成ステップでは、電極層31および中間層34を覆った状態で、電解質層32が中間層34の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層32の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第一板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Electrolyte layer formation step)
In the electrolyte layer forming step, the electrolyte layer 32 is formed in a thin layer state on the intermediate layer 34 while covering the electrode layer 31 and the intermediate layer 34. Alternatively, the electrolyte layer 32 may be formed in a thin film state having a thickness of 10 μm or less. As described above, the electrolyte layer 32 can be formed by a low-temperature firing method (a wet method in which firing is performed in a low-temperature range of 1100° C. or less), a spray coating method (a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, or the like), a PVD method (a sputtering method, a pulsed laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like. In any case, it is preferable to perform the formation at a temperature of 1100° C. or less in order to suppress deterioration of the first plate-like body 1.

緻密で気密性およびガスバリア性能の高い、良質な電解質層32を1100℃以下の温度域で形成するためには、電解質層形成ステップをスプレーコーティング法で行うことが望ましい。その場合、電解質層32の材料を第一板状体1上の中間層34に向けて噴射し、電解質層32を形成する。 To form a high-quality electrolyte layer 32 that is dense, airtight, and has high gas barrier performance at a temperature range of 1100°C or less, it is desirable to perform the electrolyte layer formation step by a spray coating method. In this case, the material for the electrolyte layer 32 is sprayed toward the intermediate layer 34 on the first plate-like body 1 to form the electrolyte layer 32.

(反応防止層形成ステップ)
反応防止層形成ステップでは、反応防止層35が電解質層32の上に薄層の状態で形成される。反応防止層35の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第一板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層35の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層35の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
(Reaction prevention layer forming step)
In the reaction prevention layer forming step, the reaction prevention layer 35 is formed in a thin layer state on the electrolyte layer 32. As described above, the reaction prevention layer 35 can be formed by a low-temperature firing method (a wet method in which firing is performed in a low temperature range of 1100°C or less), a spray coating method (a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, etc.), a PVD method (a sputtering method, a pulse laser deposition method, etc.), a CVD method, etc. In any case, in order to suppress deterioration of the first plate-like body 1, it is desirable to perform the method at a temperature of 1100°C or less. In order to flatten the upper surface of the reaction prevention layer 35, for example, a leveling process or a cutting/polishing process may be performed on the surface after the formation of the reaction prevention layer 35, or a press process may be performed after the wet formation and before firing.

(対極電極層形成ステップ)
対極電極層形成ステップでは、対極電極層33が反応防止層35の上に薄層の状態で形成される。対極電極層33の形成は、上述したように、低温焼成法(1100℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、第一板状体1の劣化を抑制するため、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。
(Counter electrode layer forming step)
In the counter electrode layer forming step, the counter electrode layer 33 is formed in a thin layer state on the reaction prevention layer 35. As described above, the counter electrode layer 33 can be formed by a low-temperature firing method (a wet method in which firing is performed in a low temperature range of 1100°C or less), a spray coating method (a thermal spray method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, or the like), a PVD method (a sputtering method, a pulsed laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like. In any case, it is preferable to perform the formation at a temperature of 1100°C or less in order to suppress deterioration of the first plate-like body 1.

以上の様にして、電気化学反応部3を製造することができる。 In this manner, the electrochemical reaction section 3 can be manufactured.

なお電気化学反応部3において、中間層34と反応防止層35とは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、電極層31と電解質層32とが接触して形成される形態、あるいは電解質層32と対極電極層33とが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、1100℃以下の温度で行うことが望ましい。 In the electrochemical reaction section 3, it is possible to have a configuration in which either or both of the intermediate layer 34 and the reaction prevention layer 35 are not provided. That is, it is also possible to have a configuration in which the electrode layer 31 and the electrolyte layer 32 are in contact with each other, or a configuration in which the electrolyte layer 32 and the counter electrode layer 33 are in contact with each other. In this case, the above-mentioned manufacturing method omits the intermediate layer formation step and the reaction prevention layer formation step. It is also possible to add a step of forming another layer, or to stack multiple layers of the same type, but in either case, it is preferable to perform the process at a temperature of 1100°C or less.

(電気化学素子積層体)
図11に示すように、電気化学素子積層体S(電気化学素子集合体)は、電気化学素子Aを複数有し、隣接する電気化学素子Aに関して、一つの電気化学素子Aを構成する板状支持体10と、他の一つの電気化学素子Aを構成する板状支持体10とが対向する形態で、且つ、一つの電気化学素子Aを構成する板状支持体10における電気化学反応部3が配置される第一板状体1とは別の第二板状体2の外面と、他の一つの電気化学素子Aを構成する板状支持体10における第一板状体1の外面とが電気的に接続される形態で、且つ、これら両外面どうしの隣接間に、当該両外面に沿って第二ガスが通流する通流部A2が形成される形態で、複数の電気化学素子Aが積層配置(集合配置)されている。電気的に接続させるためには、電気伝導性表面部同士を単純に接触させる他、接触面に面圧を印可したり、高電気伝導性の材料を介在させて接触抵抗を下げる方法などが採用可能である。具体的には、長方形状の各電気化学素子が一端部の第一貫通部41と他端部の第二貫通部51とを揃えた状態で、それぞれの電気化学素子Aの電気化学反応部3が上向きになる状態で整列して、各第一貫通部41、第二貫通部51同士の間に第一環状シール部42、第二環状シール部52を介在して、積層(集合)されることにより、上記構成となる。
(Electrochemical element stack)
As shown in Fig. 11, the electrochemical element stack S (electrochemical element assembly) has a plurality of electrochemical elements A, and with respect to adjacent electrochemical elements A, the plate-like support 10 constituting one electrochemical element A faces the plate-like support 10 constituting another electrochemical element A, and the outer surface of the second plate-like body 2 other than the first plate-like body 1 on which the electrochemical reaction section 3 in the plate-like support 10 constituting one electrochemical element A is electrically connected to the outer surface of the first plate-like body 1 in the plate-like support 10 constituting the other electrochemical element A, and a flow section A2 through which the second gas flows along the two outer surfaces is formed between the adjacent outer surfaces, and the electrochemical elements A are stacked (assembled). In order to electrically connect the electrochemical elements A, in addition to simply contacting the electrically conductive surface portions with each other, a method of applying a surface pressure to the contact surface or interposing a highly electrically conductive material to reduce contact resistance can be adopted. Specifically, each rectangular electrochemical element is aligned with the first through portion 41 at one end and the second through portion 51 at the other end, with the electrochemical reaction portion 3 of each electrochemical element A facing upward, and the first annular sealing portion 42 and the second annular sealing portion 52 are interposed between each first through portion 41 and second through portion 51, and the elements are stacked (assembled) to form the above-mentioned configuration.

板状支持体10には、表面貫通方向外方から内部流路A1に還元性成分ガス及び酸化性成分ガスのうちの一方である第一ガスを流通する供給路4を形成する第一貫通部41を長方形状の板状支持体10の長手方向一端部側に備え、通流部A2内において、板状支持体10の両外面に夫々形成される第一貫通部41を通流部A2と区画する環状シール部としての第一環状シール部42を備え、第一貫通部41及び第一環状シール部42により、第一ガスを内部流路A1に流通する供給路4が形成される。尚、第一板状体1における第一環状シール部42の接当する部位の周囲には第一板状体1における前記内部流路A1とは反対側面に環状の膨出部aを設けて第一環状シール部42の第一板状体1の面に沿う方向での位置決めを容易にしてある。 The plate-shaped support 10 is provided with a first through-portion 41 on one end of the longitudinal direction of the rectangular plate-shaped support 10, which forms a supply path 4 for flowing a first gas, which is one of a reducing component gas and an oxidizing component gas, from the outer side in the surface penetration direction to the internal flow path A1. In the flow part A2, the plate-shaped support 10 is provided with a first annular seal portion 42 as an annular seal portion that separates the first through-portion 41 formed on both outer surfaces of the plate-shaped support 10 from the flow part A2, and the first through-portion 41 and the first annular seal portion 42 form the supply path 4 for flowing the first gas to the internal flow path A1. In addition, a ring-shaped bulge portion a is provided on the side of the first plate-shaped body 1 opposite to the internal flow path A1 around the portion where the first annular seal portion 42 contacts the first plate-shaped body 1, making it easy to position the first annular seal portion 42 in the direction along the surface of the first plate-shaped body 1.

また、板状支持体10は、内部流路A1を通流した第一ガスを板状支持体10の表面貫通方向外方へ流通する排出路5を形成する第二貫通部51を他端部側に備え、第二貫通部51は、第二ガスと区画された状態で第一ガスを通流させる構成であり、通流部A2内において、板状支持体10の両外面に夫々形成される第二貫通部51を通流部A2と区画する環状シール部としての第二環状シール部52を備え、第二貫通部51及び第二環状シール部52により、内部流路A1を通流した第一ガスを流通する排出路5が形成される。 The plate-shaped support 10 also has a second through-hole 51 at the other end that forms an exhaust passage 5 through which the first gas that has passed through the internal flow path A1 flows outward in the direction through the surface of the plate-shaped support 10. The second through-hole 51 is configured to allow the first gas to flow while being partitioned from the second gas. In the flow-through portion A2, the plate-shaped support 10 is provided with a second annular seal portion 52 that serves as an annular seal portion that partitions the second through-holes 51 formed on both outer surfaces of the plate-shaped support 10 from the flow-through portion A2. The second through-hole 51 and the second annular seal portion 52 form an exhaust passage 5 through which the first gas that has passed through the internal flow path A1 flows.

第一、第二環状シール部42,52は、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料やこれを被覆した金属、あるいは、マイカ繊維、ガラスなどの材料からなり、隣接する電気化学素子どうしを電気的に絶縁する絶縁シール部として機能する。 The first and second annular seal portions 42, 52 are made of insulating ceramic materials such as alumina, metals coated with such materials, or materials such as mica fibers and glass, and function as insulating seal portions that electrically insulate adjacent electrochemical elements from each other.

(電気化学モジュール)
図11に示すように、電気化学モジュールMは、電気化学素子積層体Sを内装する絶縁体からなる筐体Bと、筐体Bの外部から供給路4を介して内部流路A1に第一ガスを流通する第一ガス供給部61と、反応後の第一ガスを流通する第一ガス排出部62と、筐体Bの外部から通流部A2に第二ガスを流通する第二ガス供給部71と、反応後の第二ガスを流通する第二ガス排出部72と、電気化学反応部3における電気化学反応に伴う出力を得る出力部8とを備え、筐体B内に、第二ガス供給部71から流通される第二ガスを通流部A2に分配流通する分配室9を備えている。
分配室9は、電気化学素子積層体Sに対して当該電気化学素子積層体Sの流通部の入口や出口となる側(側方)に位置する空間であり、通流部A2は、空間側に開口形成されて当該空間と連通している。
(Electrochemical module)
As shown in FIG. 11 , the electrochemical module M includes a housing B made of an insulator that houses the electrochemical element stack S, a first gas supply unit 61 that circulates a first gas from the outside of the housing B to the internal flow path A1 via a supply path 4, a first gas exhaust unit 62 that circulates the first gas after the reaction, a second gas supply unit 71 that circulates a second gas from the outside of the housing B to the flow unit A2, a second gas exhaust unit 72 that circulates the second gas after the reaction, and an output unit 8 that obtains an output associated with the electrochemical reaction in the electrochemical reaction unit 3. The electrochemical module M includes a distribution chamber 9 within the housing B that distributes and circulates the second gas circulated from the second gas supply unit 71 to the flow unit A2.
The distribution chamber 9 is a space located on the side (lateral side) of the electrochemical element stack S that serves as the inlet or outlet of the flow section of the electrochemical element stack S, and the flow section A2 is formed with an opening on the space side and is connected to the space.

電気化学素子積層体Sは、筐体Bに対して、一対の集電体81、82に挟持された状態で内装されており、この集電体81、82に出力部8が延設され、筐体B外部の電力供給先に電力供給自在に接続されるとともに、集電体81,82は筐体Bに対して電気化学素子積層体Sを気密に収容し、かつ集電体81,82が各電気化学素子Aに対する緩衝材として機能するよう設けられている。 The electrochemical element stack S is housed in the housing B in a state where it is sandwiched between a pair of current collectors 81, 82, and an output section 8 is extended from the current collectors 81, 82 so that it can be freely connected to a power supply destination outside the housing B. The current collectors 81, 82 accommodate the electrochemical element stack S in an airtight manner in the housing B, and the current collectors 81, 82 are arranged to function as buffer materials for each electrochemical element A.

これにより電気化学モジュールMは、第一ガス供給部61から燃料ガスを流通するとともに、第二ガス供給部71から空気を流通することで、図11破線矢印に示すように燃料ガスが進入し実線矢印に示すように空気が進入する。第一ガス供給部61から流通された燃料ガスは、電気化学素子積層体Sの最上部の電気化学素子Aの第一貫通部41より供給路4に誘導され、第一環状シール部42により区画される供給路4より、すべての電気化学素子Aの内部流路A1に通流する。また第二ガス供給部71から流通された空気は、分配室9に一時流入したのち、各電気化学素子A間に形成される通流部A2に通流する。
ちなみに、第二板状体2を基準にすると、波板状の第二板状体2部分が第一板状体1から膨出する部分で第一板状体1と第二板状体2との間に内部流路A1が形成されるとともに、隣接する電気化学素子Aの電気化学反応部3に接触して電気接続可能にする。一方、波板状の第二板状体2が第一板状体1と接触する部分が第一板状体1と電気接続し、第二板状体2と隣接する電気化学素子Aの電気化学反応部3との間に通流部A2を形成する。
図10の一部に内部流路A1を含む断面の現れる電気化学素子Aと、通流部A2を含む断面の現れる電気化学素子Aとを便宜的に並べて示す部分があるが、第一ガス供給部61から流通された燃料ガスは、分配部A12に達し(図1,4,7参照)、分配部A12を介して一端部側の幅方向に沿って広がって流れ、内部流路A1のうち各副流路A11に達する(図1,図3,図7参照)。すると、内部流路A1に進入した燃料ガスは気体通流許容部1Aを介して電極層31に進入できる。また、燃料ガスは、電気化学反応済みの燃料ガスとともに、さらに内部流路A1を進み、合流部A13、第二貫通部51を介して、第二環状シール部52によって形成される排出路5に進み、他の電気化学素子Aからの電気化学反応済みの燃料ガスとともに第一ガス排出部62より筐体B外に流通される。一方、第二ガス供給部71から流通された空気は、分配室9を介して通流部A2に進入し、対極電極層33に進入できる。また、空気は、電気化学反応済みの空気とともに、さらに電気化学反応部3に沿って通流部A2を進み第二ガス排出部72より筐体B外に流通される。
As a result, the electrochemical module M flows fuel gas from the first gas supply unit 61 and air from the second gas supply unit 71, so that the fuel gas enters as shown by the dashed arrows in Fig. 11 and air enters as shown by the solid arrows in Fig. 11. The fuel gas flowing from the first gas supply unit 61 is guided to the supply path 4 from the first penetration portion 41 of the uppermost electrochemical element A of the electrochemical element stack S, and flows through the internal flow paths A1 of all the electrochemical elements A from the supply path 4 partitioned by the first annular seal portion 42. The air flowing from the second gas supply unit 71 temporarily flows into the distribution chamber 9, and then flows through the flow portions A2 formed between the electrochemical elements A.
Incidentally, when the second plate-like body 2 is used as a reference, an internal flow path A1 is formed between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 at a portion where the corrugated second plate-like body 2 bulges out from the first plate-like body 1, and the corrugated second plate-like body 2 comes into contact with the electrochemical reaction section 3 of the adjacent electrochemical element A to enable electrical connection. Meanwhile, the portion where the corrugated second plate-like body 2 comes into contact with the first plate-like body 1 is electrically connected to the first plate-like body 1, and a flow section A2 is formed between the second plate-like body 2 and the electrochemical reaction section 3 of the adjacent electrochemical element A.
In a portion of FIG. 10, the electrochemical element A in which a cross section including the internal flow path A1 appears and the electrochemical element A in which a cross section including the flow section A2 appears are shown side by side for convenience, but the fuel gas flowing from the first gas supply section 61 reaches the distribution section A12 (see FIGS. 1, 4, and 7), spreads along the width direction of the one end side through the distribution section A12, and reaches each sub-flow path A11 of the internal flow path A1 (see FIGS. 1, 3, and 7). Then, the fuel gas that has entered the internal flow path A1 can enter the electrode layer 31 through the gas flow allowance section 1A. In addition, the fuel gas further advances through the internal flow path A1 together with the fuel gas that has undergone electrochemical reaction, and advances through the junction section A13 and the second through-hole section 51 to the discharge path 5 formed by the second annular seal section 52, and is circulated outside the housing B from the first gas discharge section 62 together with the fuel gas that has undergone electrochemical reaction from the other electrochemical elements A. On the other hand, the air circulated from the second gas supply unit 71 enters the flow section A2 via the distribution chamber 9, and can enter the counter electrode layer 33. The air, together with the air that has undergone the electrochemical reaction, further travels through the flow section A2 along the electrochemical reaction unit 3, and is circulated outside the housing B through the second gas exhaust unit 72.

この燃料ガス及び空気の流れに従って電気化学反応部3で生じた電力は、隣接する電気化学素子Aの電気化学反応部3と第二板状体2との接触により集電体81,82どうしの間で直列に接続され、合成出力が出力部8より取り出される形態となる。 The electricity generated in the electrochemical reaction section 3 by the flow of the fuel gas and air is connected in series between the current collectors 81, 82 by contact between the electrochemical reaction section 3 of the adjacent electrochemical element A and the second plate-like body 2, and the combined output is taken out from the output section 8.

以上説明した電気化学モジュールMを用いて、電気化学装置100およびエネルギーシステムZを構築することができる。 The electrochemical module M described above can be used to construct an electrochemical device 100 and an energy system Z.

なお、電気化学モジュールMにおいて、電気化学素子Aが積層されていなくてもよい。換言すれば、電気化学モジュールMにおいて、電気化学素子Aが複数集合した状態で配置されてもよい。 In addition, the electrochemical elements A do not have to be stacked in the electrochemical module M. In other words, the electrochemical elements A may be arranged in a group in the electrochemical module M.

(環状スペーサ)
図3、図8、図9、図11に示されるように、電気化学素子Aの夫々において、環状スペーサ91が第一板状体1と第二板状体2との間に配置されている。環状スペーサ91は、板状支持体10における一端部側(第一貫通部41)及び他端部側(第二貫通部51)に配置されている。
(Annular spacer)
3, 8, 9, and 11, in each of the electrochemical elements A, an annular spacer 91 is disposed between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2. The annular spacer 91 is disposed on one end side (first penetrating portion 41) and the other end side (second penetrating portion 51) of the plate-like support 10.

(環状スペーサの第1例)
図15、図16、図17を参照しながら、環状スペーサ91の第1例について説明する。なお、図17の断面図では、環状スペーサ91の断面は、図16に示される面CS1による断面として描かれている。
(First Example of Annular Spacer)
A first example of the annular spacer 91 will be described with reference to Figures 15, 16, and 17. In the cross-sectional view of Figure 17, the cross section of the annular spacer 91 is drawn as a cross section taken along plane CS1 shown in Figure 16.

環状スペーサ91は、表裏にわたる貫通孔91aを備える板状の部材である。環状スペーサ91は、他の部材(第一板状体1及び第二板状体2)に挟まれた状態で貫通孔91aの内側の空間SIから環状スペーサ91の外側の空間SOまで気体を通流させる流路91bを備える。 The annular spacer 91 is a plate-like member with a through hole 91a extending from the front to the back. The annular spacer 91 has a flow path 91b that allows gas to flow from the space SI inside the through hole 91a to the space SO outside the annular spacer 91 when sandwiched between other members (the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2).

具体的には、環状スペーサ91は、中央に貫通孔91aを有する円盤状の部材である。環状スペーサ91は、プレス加工により一体的に形成され得る。環状スペーサ91は、電気伝導性を有する材料により形成されてもよい。例えば、環状スペーサ91は金属製である。環状スペーサ91の材料が、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅及びインバー材を何れか1つ以上含むと好ましい。環状スペーサ91の材料が絶縁体でもよい。 Specifically, the annular spacer 91 is a disk-shaped member having a through hole 91a in the center. The annular spacer 91 can be integrally formed by pressing. The annular spacer 91 may be formed of an electrically conductive material. For example, the annular spacer 91 is made of a metal. It is preferable that the material of the annular spacer 91 includes one or more of ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, Inconel, copper, and Invar material. The material of the annular spacer 91 may be an insulator.

第1例の環状スペーサ91は、基部92と、突出部93と、フランジ部94と、を備える。 The first example of the annular spacer 91 includes a base portion 92, a protruding portion 93, and a flange portion 94.

基部92は、平板状に延びる部位である。 The base 92 is a portion that extends like a flat plate.

突出部93は、基部92において、周囲よりも表裏方向(図17における上下方向、電気化学素子における上下方向)に突出する部位である。図示例では、環状スペーサ91は、周方向に均等に並んで配置される8個の突出部93を備える。突出部93の上面は平坦である。全ての突出部93の上面は、ほぼ同じ高さである。環状スペーサ91が、表面と裏面との両方に突出部を備えてもよい。突出部93の数は、8に限られず、1から7でもよいし、9以上でもよい。 The protrusions 93 are parts of the base 92 that protrude in the front-back direction (the up-down direction in FIG. 17, the up-down direction in the electrochemical element) beyond the periphery. In the illustrated example, the annular spacer 91 has eight protrusions 93 arranged evenly in the circumferential direction. The upper surfaces of the protrusions 93 are flat. The upper surfaces of all of the protrusions 93 are approximately the same height. The annular spacer 91 may have protrusions on both the front and back surfaces. The number of protrusions 93 is not limited to 8, and may be 1 to 7, or 9 or more.

フランジ部94は、基部92の中央部において、表裏方向に突出するフランジ状の部位である。フランジ部94は、貫通孔91aの周壁である。図示例では、フランジ部94は、表裏方向において突出部93と反対側に突出している。フランジ部94は、環状に形成されている。フランジ部94は、連続した円環状である。フランジ部94の一部が切り欠かれていてもよい。換言すれば、フランジ部94が、非連続の環状であってもよい。 The flange portion 94 is a flange-shaped portion that protrudes in the front-back direction from the center of the base portion 92. The flange portion 94 is the peripheral wall of the through hole 91a. In the illustrated example, the flange portion 94 protrudes on the opposite side to the protruding portion 93 in the front-back direction. The flange portion 94 is formed in an annular shape. The flange portion 94 is a continuous annular shape. A portion of the flange portion 94 may be cut out. In other words, the flange portion 94 may be a discontinuous annular shape.

図17に、第1例の環状スペーサ91が第一板状体1と第二板状体2との間に配置された状態が示されている。フランジ部94が、第二板状体2の第二貫通部51(貫通孔2b)に入り込んでいる。フランジ部94により、環状スペーサ91が第二板状体2に対して位置決めされる。環状スペーサ91の上面、すなわち突出部93の上面が、第一板状体1の下面と接触する。基部92の下面が、第二板状体2の上面と接触する。環状スペーサ91を通じて、第一板状体1と第二板状体2とが導通可能である。環状スペーサ91が無い場合に比べて、第一板状体1と第二板状体2との間の電気伝導性が向上する。 Figure 17 shows the state in which the annular spacer 91 of the first example is arranged between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2. The flange portion 94 fits into the second through-hole 51 (through-hole 2b) of the second plate-like body 2. The flange portion 94 positions the annular spacer 91 with respect to the second plate-like body 2. The upper surface of the annular spacer 91, i.e., the upper surface of the protruding portion 93, contacts the lower surface of the first plate-like body 1. The lower surface of the base portion 92 contacts the upper surface of the second plate-like body 2. The first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 can be electrically connected through the annular spacer 91. Compared to the case in which the annular spacer 91 is not present, the electrical conductivity between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 is improved.

突出部93の存在により、基部92と第一板状体1との間に空間Pが生じる。空間Pは、突出部93の周囲の空間である。空間Pは、板状支持体10の内部流路A1(環状スペーサ91の外側の空間SO)と、環状スペーサ91の貫通孔91aの内側の空間SIとを連結する。空間Pは、2つの突出部93の間に形成される。環状スペーサ91は8個の突出部93を備えるので、8個の空間Pが、貫通孔91aの周りに周方向に並んで位置することになる。 The presence of the protrusions 93 creates a space P between the base 92 and the first plate-like body 1. The space P is the space around the protrusions 93. The space P connects the internal flow path A1 of the plate-like support 10 (the space SO outside the annular spacer 91) and the space SI inside the through hole 91a of the annular spacer 91. The space P is formed between the two protrusions 93. Since the annular spacer 91 has eight protrusions 93, the eight spaces P are positioned in a circumferential line around the through hole 91a.

図17に示されるように、環状スペーサ91は、その中心軸(貫通孔91aの中心軸)が第二貫通部51の中心軸と一致する状態で配置される。詳しくは、環状スペーサ91は、その中心軸(貫通孔91aの中心軸)が、第一板状体1に形成された貫通孔1bの中心軸、第二板状体2に形成された貫通孔2bの中心軸、及び第二環状シール部52の中心軸と一致する状態で配置される。従って、環状スペーサ91は、板状支持体10の厚さ方向視において第二貫通部51(貫通孔2b)と環状スペーサ91の貫通孔91aとが重なるように配置される。本実施形態では、環状スペーサ91は、第二貫通部51(貫通孔2b)と貫通孔91aの全体とが重なるように配置される。環状スペーサ91が、第二貫通部51(貫通孔2b)と貫通孔91aの一部とが重なるように配置されてもよい。 17, the annular spacer 91 is arranged with its central axis (the central axis of the through hole 91a) coinciding with the central axis of the second through portion 51. In detail, the annular spacer 91 is arranged with its central axis (the central axis of the through hole 91a) coinciding with the central axis of the through hole 1b formed in the first plate-like body 1, the central axis of the through hole 2b formed in the second plate-like body 2, and the central axis of the second annular seal portion 52. Therefore, the annular spacer 91 is arranged so that the second through portion 51 (through hole 2b) and the through hole 91a of the annular spacer 91 overlap when viewed in the thickness direction of the plate-like support body 10. In this embodiment, the annular spacer 91 is arranged so that the second through portion 51 (through hole 2b) and the entire through hole 91a overlap. The annular spacer 91 may be arranged so that the second through portion 51 (through hole 2b) and a part of the through hole 91a overlap.

図17は、環状スペーサ91が板状支持体10における他端部側(第二貫通部51)に配置されている状態を示す。板状支持体10の一端部側(第一貫通部41)に配置される環状スペーサ91も、図17の図示例と同様の形態である。 Figure 17 shows the state in which the annular spacer 91 is arranged on the other end side (second penetration portion 51) of the plate-shaped support 10. The annular spacer 91 arranged on one end side (first penetration portion 41) of the plate-shaped support 10 also has the same shape as the example shown in Figure 17.

第一貫通部41に燃料ガス(第一ガス。「気体」の一例)が供給されると、燃料ガスは環状スペーサ91の貫通孔91aから空間Pを通って内部流路A1へ流入する。そして内部流路A1を通流した燃料ガスは、第二貫通部51の側の環状スペーサ91の空間Pを通って貫通孔91aへ流入し、第二貫通部51へ流出する。このようにして、空間Pが流路91bとして機能する。 When fuel gas (first gas, an example of a "gas") is supplied to the first penetration 41, the fuel gas flows from the penetration hole 91a of the annular spacer 91 through the space P into the internal flow path A1. The fuel gas that has flowed through the internal flow path A1 then flows into the penetration hole 91a through the space P of the annular spacer 91 on the second penetration 51 side, and flows out to the second penetration 51. In this way, the space P functions as the flow path 91b.

環状スペーサ91は、8個の空間Pに対応して、8個の流路91bを備える。8個の流路91bは、貫通孔91aから放射状に延びている。8個の流路91bは、周方向に並んで配置されている。従って、第一貫通部41からの第一ガスを内部流路A1(分配部A12)に効果的に拡散させることができる。すなわち、環状スペーサ91により、第一ガスを複数の副流路A11に均一に供給することができる。 The annular spacer 91 has eight flow paths 91b corresponding to the eight spaces P. The eight flow paths 91b extend radially from the through hole 91a. The eight flow paths 91b are arranged in a line in the circumferential direction. Therefore, the first gas from the first through portion 41 can be effectively diffused to the internal flow path A1 (distribution portion A12). In other words, the annular spacer 91 can uniformly supply the first gas to the multiple sub-flow paths A11.

(環状スペーサの第2例)
図18、図19、図20を参照しながら、環状スペーサ91の第2例について説明する。なお、図20の断面図では、環状スペーサ91の断面は、図19に示される面CS2による断面として描かれている。
(Second Example of Annular Spacer)
18, 19, and 20, a second example of the annular spacer 91 will be described. In the cross-sectional view of Fig. 20, the cross section of the annular spacer 91 is drawn as a cross section along the plane CS2 shown in Fig. 19.

第2例の環状スペーサ91は、第1例と同様に、表裏にわたる貫通孔91aを備える板状の部材である。環状スペーサ91は、他の部材(第一板状体1及び第二板状体2)に挟まれた状態で貫通孔91aの内側の空間SIから環状スペーサ91の外側の空間SOまで気体を通流させる流路91bを備える。 The annular spacer 91 of the second example is a plate-like member with through holes 91a from the front to the back, as in the first example. The annular spacer 91 has a flow path 91b that allows gas to flow from the space SI inside the through holes 91a to the space SO outside the annular spacer 91 when sandwiched between other members (the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2).

具体的には、環状スペーサ91は、中央に貫通孔91aを有する円盤状の部材である。環状スペーサ91は、プレス加工により一体的に形成され得る。環状スペーサ91は、電気伝導性を有する材料により形成されてもよい。例えば、環状スペーサ91は金属製である。環状スペーサ91の材料が、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅及びインバー材を何れか1つ以上含むと好ましい。環状スペーサ91の材料が絶縁体でもよい。 Specifically, the annular spacer 91 is a disk-shaped member having a through hole 91a in the center. The annular spacer 91 can be integrally formed by pressing. The annular spacer 91 may be formed of an electrically conductive material. For example, the annular spacer 91 is made of a metal. It is preferable that the material of the annular spacer 91 includes one or more of ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, Inconel, copper, and Invar material. The material of the annular spacer 91 may be an insulator.

第2例の環状スペーサ91は、第1部位95と、第2部位96と、を備える。 The second example of the annular spacer 91 has a first portion 95 and a second portion 96.

第1部位95は、平板状に延びる部位である。図示例では、環状スペーサ91は、周方向に隙間Tを空けて配置される8個の第1部位95を備える。第1部位95の上面及び下面は平坦である。全ての第1部位95の上面及び下面は、ほぼ同じ高さである。換言すれば、全ての第1部位95は、同一平面上に配置される。第1部位95の上面の高さ、下面の高さ、及び厚さが、第1部位95のうちで互いに異なってもよい。第1部位95の数は、8に限られず、2から7でもよいし、9以上でもよい。 The first portions 95 are portions that extend in a flat plate shape. In the illustrated example, the annular spacer 91 has eight first portions 95 that are arranged with a gap T in the circumferential direction. The upper and lower surfaces of the first portions 95 are flat. The upper and lower surfaces of all the first portions 95 are approximately the same height. In other words, all the first portions 95 are arranged on the same plane. The height of the upper surface, the height of the lower surface, and the thickness of the first portions 95 may differ from one another among the first portions 95. The number of first portions 95 is not limited to eight, and may be two to seven, or may be nine or more.

隙間Tは、環状スペーサ91の外周端から貫通孔91aまで延びている。環状スペーサ91は8個の第1部位95を備えるので、8個の隙間Tが、貫通孔91aの周りに周方向に並んで位置することになる。図示例では、8個の隙間Tの幅は同じである。隙間Tの幅が異なっていてもよい。 The gaps T extend from the outer peripheral end of the annular spacer 91 to the through hole 91a. Since the annular spacer 91 has eight first portions 95, eight gaps T are positioned in a circumferential line around the through hole 91a. In the illustrated example, the width of the eight gaps T is the same. The widths of the gaps T may be different.

第2部位96は、複数の第1部位95を連結する部位である。第2部位96は、環状スペーサ91の中央部において、表裏方向に突出するフランジ状の部位である。第2部位96は、貫通孔91aの周壁である。第2部位96は、第1部位95の下面に接続され、第1部位95から下方に突出している。図示例では、第2部位96は、環状に形成されている。第2部位96の一部が切り欠かれていてもよい。換言すれば、第2部位96が、非連続の環状であってもよい。 The second portion 96 is a portion that connects multiple first portions 95. The second portion 96 is a flange-shaped portion that protrudes in the front-rear direction at the center of the annular spacer 91. The second portion 96 is the peripheral wall of the through hole 91a. The second portion 96 is connected to the lower surface of the first portion 95 and protrudes downward from the first portion 95. In the illustrated example, the second portion 96 is formed in an annular shape. A portion of the second portion 96 may be cut out. In other words, the second portion 96 may be a discontinuous annular shape.

図20に、第2例の環状スペーサ91が第一板状体1と第二板状体2との間に配置された状態が示されている。第2部位96が、第二板状体2の第二貫通部51(貫通孔2b)に入り込んでいる。第2部位96により、環状スペーサ91が第二板状体2に対して位置決めされる。環状スペーサ91の上面、すなわち第1部位95の上面が、第一板状体1の下面と接触する。第1部位95の下面が、第二板状体2の上面と接触する。環状スペーサ91を通じて、第一板状体1と第二板状体2とが導通可能である。環状スペーサ91が無い場合に比べて、第一板状体1と第二板状体2との間の電気伝導性が向上する。 Figure 20 shows the state in which the annular spacer 91 of the second example is disposed between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2. The second portion 96 is inserted into the second through-hole 51 (through-hole 2b) of the second plate-like body 2. The second portion 96 positions the annular spacer 91 relative to the second plate-like body 2. The upper surface of the annular spacer 91, i.e., the upper surface of the first portion 95, contacts the lower surface of the first plate-like body 1. The lower surface of the first portion 95 contacts the upper surface of the second plate-like body 2. The first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 can be electrically conductive through the annular spacer 91. Compared to the case in which the annular spacer 91 is not present, the electrical conductivity between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 is improved.

図20の状態では、隙間Tは、2つの第1部位95と第一板状体1と第二板状体2とに囲まれる。隙間Tは、板状支持体10の内部流路A1(環状スペーサ91の外側の空間SO)と、環状スペーサ91の貫通孔91aの内側の空間SIとを連結する。 In the state shown in FIG. 20, the gap T is surrounded by the two first portions 95, the first plate-like body 1, and the second plate-like body 2. The gap T connects the internal flow path A1 of the plate-like support body 10 (the space SO outside the annular spacer 91) to the space SI inside the through hole 91a of the annular spacer 91.

図20に示されるように、また第1例と同様に、環状スペーサ91は、その中心軸(貫通孔91aの中心軸)が第二貫通部51の中心軸と一致する状態で配置される。詳しくは、環状スペーサ91は、その中心軸(貫通孔91aの中心軸)が、第一板状体1に形成された貫通孔1bの中心軸、第二板状体2に形成された貫通孔2bの中心軸、及び第二環状シール部52の中心軸と一致する状態で配置される。従って、環状スペーサ91は、板状支持体10の厚さ方向視において第二貫通部51(貫通孔2b)と環状スペーサ91の貫通孔91aとが重なるように配置される。本実施形態では、環状スペーサ91は、第二貫通部51(貫通孔2b)と貫通孔91aの全体とが重なるように配置される。環状スペーサ91が、第二貫通部51(貫通孔2b)と貫通孔91aの一部とが重なるように配置されてもよい。 As shown in FIG. 20, and similarly to the first example, the annular spacer 91 is arranged with its central axis (the central axis of the through hole 91a) coinciding with the central axis of the second through portion 51. In detail, the annular spacer 91 is arranged with its central axis (the central axis of the through hole 91a) coinciding with the central axis of the through hole 1b formed in the first plate-like body 1, the central axis of the through hole 2b formed in the second plate-like body 2, and the central axis of the second annular seal portion 52. Therefore, the annular spacer 91 is arranged so that the second through portion 51 (through hole 2b) and the through hole 91a of the annular spacer 91 overlap when viewed in the thickness direction of the plate-like support body 10. In this embodiment, the annular spacer 91 is arranged so that the second through portion 51 (through hole 2b) and the entire through hole 91a overlap. The annular spacer 91 may be arranged so that the second through portion 51 (through hole 2b) and a part of the through hole 91a overlap.

図20は、環状スペーサ91が板状支持体10における他端部側(第二貫通部51)に配置されている状態を示す。板状支持体10の一端部側(第一貫通部41)に配置される環状スペーサ91も、図20の図示例と同様の形態である。 Figure 20 shows the state in which the annular spacer 91 is arranged on the other end side (second penetration portion 51) of the plate-shaped support 10. The annular spacer 91 arranged on one end side (first penetration portion 41) of the plate-shaped support 10 also has the same shape as the example shown in Figure 20.

第一貫通部41に燃料ガス(第一ガス。「気体」の一例)が供給されると、燃料ガスは環状スペーサ91の貫通孔91aから隙間Tを通って内部流路A1へ流入する。そして内部流路A1を通流した燃料ガスは、第二貫通部51の側の環状スペーサ91の隙間Tを通って貫通孔91aへ流入し、第二貫通部51へ流出する。このようにして、隙間Tが流路91bとして機能する。 When fuel gas (first gas, an example of a "gas") is supplied to the first penetration 41, the fuel gas flows from the penetration hole 91a of the annular spacer 91 through the gap T into the internal flow path A1. The fuel gas that has flowed through the internal flow path A1 then flows into the penetration hole 91a through the gap T of the annular spacer 91 on the second penetration 51 side, and flows out to the second penetration 51. In this way, the gap T functions as the flow path 91b.

環状スペーサ91は、8個の隙間Tに対応して、8個の流路91bを備える。8個の流路91bは、貫通孔91aから放射状に延びている。8個の流路91bは、周方向に並んで配置されている。従って、第一貫通部41からの第一ガスを内部流路A1(分配部A12)に効果的に拡散させることができる。すなわち、環状スペーサ91により、第一ガスを複数の副流路A11に均一に供給することができる。 The annular spacer 91 has eight flow paths 91b corresponding to the eight gaps T. The eight flow paths 91b extend radially from the through hole 91a. The eight flow paths 91b are arranged in a line in the circumferential direction. Therefore, the first gas from the first through portion 41 can be effectively diffused to the internal flow path A1 (distribution portion A12). In other words, the annular spacer 91 can uniformly supply the first gas to the multiple sub-flow paths A11.

第1例及び第2例に共通する環状スペーサ91の利点について述べる。電気化学モジュールMにおいて、複数の電気化学素子Aが積層される。複数の電気化学素子Aは、その積層方向に圧接される。そうすると、第一環状シール部42及び第二環状シール部52から板状支持体10へ、力が作用する。すなわち、板状支持体10には、厚さ方向に圧縮する力が作用する。環状スペーサ91の存在により、板状支持体10の変形(特に、厚さ方向の変形)が抑制される。また、板状支持体10から第一環状シール部42及び第二環状シール部52への反力が大きくなる。第一環状シール部42及び第二環状シール部52が、板状支持体10に強く押しつけられる。第一環状シール部42と板状支持体10との接触部、及び、第二環状シール部52と板状支持体10との接触部における気密性が向上する。 The advantages of the annular spacer 91 common to the first and second examples will be described. In the electrochemical module M, a plurality of electrochemical elements A are stacked. The plurality of electrochemical elements A are pressed in the stacking direction. Then, a force acts from the first annular seal portion 42 and the second annular seal portion 52 to the plate-like support 10. That is, a compressive force acts on the plate-like support 10 in the thickness direction. The presence of the annular spacer 91 suppresses deformation of the plate-like support 10 (particularly deformation in the thickness direction). In addition, the reaction force from the plate-like support 10 to the first annular seal portion 42 and the second annular seal portion 52 becomes large. The first annular seal portion 42 and the second annular seal portion 52 are strongly pressed against the plate-like support 10. The airtightness is improved at the contact portion between the first annular seal portion 42 and the plate-like support 10 and at the contact portion between the second annular seal portion 52 and the plate-like support 10.

環状スペーサ91が、図17、図20の図示例とは上下逆の姿勢で配置されてもよい。換言すれば、環状スペーサ91が、図17、図20の図示例とは表裏が逆の姿勢で配置されてもよい。 The annular spacer 91 may be arranged upside down compared to the examples shown in Figures 17 and 20. In other words, the annular spacer 91 may be arranged upside down compared to the examples shown in Figures 17 and 20.

第1例及び第2例の環状スペーサ91は、円形の環状である。環状スペーサ91が、楕円形、方形、多角形など、いかなる形状の環状であってもよい。 The annular spacer 91 in the first and second examples is a circular ring. The annular spacer 91 may be an annular spacer of any shape, such as an elliptical, rectangular, or polygonal shape.

(エネルギーシステム、電気化学装置)
図12には、エネルギーシステムZおよび電気化学装置100の概要が示されている。
エネルギーシステムZは、電気化学装置100と、電気化学装置100から流通される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器200とを有する。
電気化学装置100は、電気化学モジュールMと、脱硫器101と燃料変換器の一種である改質器102とを有し、電気化学モジュールMに対して還元性成分を含有する燃料ガスを流通する燃料供給部103と、電気化学モジュールMから電力を取り出す出力部8として電力変換器の一種であるインバータ104とを有する。
(Energy systems, electrochemical devices)
FIG. 12 shows an overview of an energy system Z and an electrochemical device 100.
The energy system Z includes an electrochemical device 100 and a heat exchanger 200 serving as an exhaust heat utilization section that reuses heat circulated from the electrochemical device 100 .
The electrochemical device 100 has an electrochemical module M, a desulfurizer 101, and a reformer 102, which is a type of fuel converter, as well as a fuel supply unit 103 that circulates fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module M, and an inverter 104, which is a type of power converter, as an output unit 8 that extracts electric power from the electrochemical module M.

詳しくは電気化学装置100は、脱硫器101、改質水タンク105、気化器106、改質器102、ブロア107、燃焼部108、インバータ104、制御部110、および電気化学モジュールMを有する。 In detail, the electrochemical device 100 has a desulfurizer 101, a reforming water tank 105, a vaporizer 106, a reformer 102, a blower 107, a combustion section 108, an inverter 104, a control section 110, and an electrochemical module M.

脱硫器101は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去(脱硫)する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器101を備えることにより、硫黄化合物による改質器102あるいは電気化学素子Aに対する悪影響を抑制することができる。気化器106は、改質水タンク105から流通される改質水から水蒸気を生成する。改質器102は、気化器106にて生成された水蒸気を用いて脱硫器101にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。 The desulfurizer 101 removes (desulfurizes) sulfur compounds contained in hydrocarbon raw fuel such as city gas. When sulfur compounds are contained in the raw fuel, the provision of the desulfurizer 101 can suppress the adverse effects of the sulfur compounds on the reformer 102 or the electrochemical element A. The vaporizer 106 generates steam from the reforming water flowing from the reforming water tank 105. The reformer 102 uses the steam generated by the vaporizer 106 to steam reform the raw fuel desulfurized by the desulfurizer 101, generating a reformed gas containing hydrogen.

電気化学モジュールMは、改質器102から流通された改質ガスと、ブロア107から流通された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部108は、電気化学モジュールMから流通される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。 The electrochemical module M generates electricity by electrochemically reacting the reformed gas circulated from the reformer 102 with the air circulated from the blower 107. The combustion section 108 mixes the reaction exhaust gas circulated from the electrochemical module M with air and combusts the combustible components in the reaction exhaust gas.

インバータ104は、電気化学モジュールMの出力電力を調整して、商用系統(図示省略)から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部110は電気化学装置100およびエネルギーシステムZの運転を制御する。 The inverter 104 adjusts the output power of the electrochemical module M to the same voltage and frequency as the power received from the commercial grid (not shown). The control unit 110 controls the operation of the electrochemical device 100 and the energy system Z.

改質器102は、燃焼部108での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。 The reformer 102 performs a reforming process on the raw fuel using the combustion heat generated by the combustion of the reaction exhaust gas in the combustion section 108.

原燃料は、昇圧ポンプ111の作動により原燃料供給路112を通して脱硫器101に流通される。改質水タンク105の改質水は、改質水ポンプ113の作動により改質水供給路114を通して気化器106に流通される。そして、原燃料供給路112は脱硫器101よりも下流側の部位で、改質水供給路114に合流されており、筐体B外にて合流された改質水と原燃料とが気化器106に流通される。 The raw fuel is circulated to the desulfurizer 101 through the raw fuel supply passage 112 by the operation of the boost pump 111. The reforming water in the reforming water tank 105 is circulated to the vaporizer 106 through the reforming water supply passage 114 by the operation of the reforming water pump 113. The raw fuel supply passage 112 merges with the reforming water supply passage 114 at a location downstream of the desulfurizer 101, and the reforming water and raw fuel that are merged outside the housing B are circulated to the vaporizer 106.

改質水は気化器106にて気化され水蒸気となる。気化器106にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路115を通して改質器102に流通される。改質器102にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス(還元性成分を有する第一ガス)が生成される。改質器102にて生成された改質ガスは、燃料供給部103を通して電気化学モジュールMに流通される。 The reforming water is vaporized in the vaporizer 106 to become water vapor. The raw fuel containing water vapor generated in the vaporizer 106 is circulated to the reformer 102 through the water vapor-containing raw fuel supply passage 115. The raw fuel is steam reformed in the reformer 102 to generate a reformed gas (a first gas having a reducing component) mainly composed of hydrogen gas. The reformed gas generated in the reformer 102 is circulated to the electrochemical module M through the fuel supply unit 103.

反応排ガスは燃焼部108で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出路116から熱交換器200に送られる。燃焼排ガス排出路116には燃焼触媒部117(例えば、白金系触媒)が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去される。 The reaction exhaust gas is combusted in the combustion section 108 to become combustion exhaust gas, which is sent to the heat exchanger 200 through the combustion exhaust gas exhaust passage 116. A combustion catalyst section 117 (e.g., a platinum-based catalyst) is arranged in the combustion exhaust gas exhaust passage 116, and reducing components such as carbon monoxide and hydrogen contained in the combustion exhaust gas are burned and removed.

熱交換器200は、燃焼部108における燃焼で生じた燃焼排ガスと、流通される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器200は、電気化学装置100から排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。 The heat exchanger 200 exchanges heat between the exhaust gas generated by combustion in the combustion section 108 and the cold water being circulated, generating hot water. In other words, the heat exchanger 200 operates as a waste heat utilization section that reuses the heat discharged from the electrochemical device 100.

なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールMから(燃焼されずに)流通される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。また、第一ガス排出部62より筐体B外に流通される反応排ガスの少なくとも一部を図12中の100,101,103,106,112,113,115の何れかの部位に合流させリサイクルしても良い。反応排ガスには、電気化学素子Aにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。 In place of the exhaust heat utilization section, a reaction exhaust gas utilization section may be provided that utilizes the reaction exhaust gas circulating (without being combusted) from the electrochemical module M. Also, at least a portion of the reaction exhaust gas circulating from the first gas exhaust section 62 to the outside of the housing B may be recycled by merging with any of the locations 100, 101, 103, 106, 112, 113, and 115 in FIG. 12. The reaction exhaust gas contains residual hydrogen gas that was not used in the reaction in the electrochemical element A. In the reaction exhaust gas utilization section, the residual hydrogen gas is utilized for heat utilization by combustion or for power generation by a fuel cell or the like, thereby making effective use of energy.

図14には、電気化学反応部3を電解セルとして動作させる場合のエネルギーシステムZおよび電気化学装置100の一例が示されている。本システムでは供給された水と二酸化炭素が電気化学反応部3において電気分解され、水素及び一酸化炭素等を生成する。更に燃料変換器25において炭化水素などが合成される。図14中の熱交換器24を、燃料変換器25で起きる反応によって生ずる反応熱と水とを熱交換させ気化させる排熱利用部として動作させるとともに、図14中の熱交換器23を、電気化学素子Aによって生ずる排熱と水蒸気および二酸化炭素とを熱交換させ予熱する排熱利用部として動作させる構成とすることにより、エネルギー効率を高めることができる。
また、電力変換器104(コンバータ)は、電気化学素子Aに電力を流通する。これにより、上記のように電気化学素子Aは電解セルとして作用する。
よって、上記構成によれば、電気エネルギーを燃料等の化学的エネルギーに変換する効率を向上できる電気化学装置100及びエネルギーシステムZ等を提供することができる。
Fig. 14 shows an example of the energy system Z and the electrochemical device 100 in the case where the electrochemical reaction section 3 is operated as an electrolysis cell. In this system, supplied water and carbon dioxide are electrolyzed in the electrochemical reaction section 3 to generate hydrogen, carbon monoxide, etc. Furthermore, hydrocarbons and the like are synthesized in the fuel converter 25. By configuring the heat exchanger 24 in Fig. 14 to operate as an exhaust heat utilization section that exchanges heat between the reaction heat generated by the reaction in the fuel converter 25 and water to vaporize it, and by configuring the heat exchanger 23 in Fig. 14 to operate as an exhaust heat utilization section that exchanges heat between the exhaust heat generated by the electrochemical element A and water vapor and carbon dioxide to preheat it, it is possible to improve energy efficiency.
Furthermore, the power converter 104 (converter) supplies power to the electrochemical device A. This allows the electrochemical device A to function as an electrolysis cell as described above.
Therefore, according to the above configuration, it is possible to provide an electrochemical device 100 and an energy system Z that can improve the efficiency of converting electrical energy into chemical energy such as fuel.

(他の実施形態)
(1)上記の実施形態では、電気化学素子Aを電気化学装置100としての固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Aは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。また、電気化学素子Aは、電気化学素子積層体Sや電気化学モジュールMとして複数組み合わせて用いるのに限らず、単独で用いることも可能である。
Other Embodiments
(1) In the above embodiment, the electrochemical element A is used in a solid oxide fuel cell as the electrochemical device 100, but the electrochemical element A can also be used in a solid oxide electrolysis cell, an oxygen sensor using a solid oxide, etc. In addition, the electrochemical element A can be used alone, not limited to being used in combination as the electrochemical element stack S or the electrochemical module M.

(2)上記の実施形態では、電極層31の材料として例えばNiOGDC、NiGDC、NiOYSZ、NiYSZ、CuOCeO2、CuCeO2などの複合材を用い、対極電極層33の材料として例えばLSCF、LSM等の複合酸化物を用いた。このように構成された電気化学素子Aは、電極層31に水素ガスを流通して燃料極(アノード)とし、対極電極層33に空気を流通して空気極(カソード)とし、固体酸化物形燃料電池セルとして用いることが可能である。この構成を変更して、電極層31を空気極とし、対極電極層33を燃料極とすることが可能なように、電気化学素子Aを構成することも可能である。すなわち、電極層31の材料として例えばLSCF、LSM等の複合酸化物を用い、対極電極層33の材料として例えばNiOGDC、NiGDC、NiOYSZ、NiYSZ、CuOCeO2、CuCeO2などの複合材を用いる。このように構成した電気化学素子Aであれば、電極層31に空気を流通して空気極とし、対極電極層33に水素ガスを流通して燃料極とし、電気化学素子Aを固体酸化物形燃料電池セルとして用いることができる。 (2) In the above embodiment, the electrode layer 31 is made of a composite material such as NiO - GDC, Ni - GDC, NiO - YSZ, Ni - YSZ, CuO - CeO 2 , or Cu - CeO 2 , and the counter electrode layer 33 is made of a composite oxide such as LSCF or LSM. The electrochemical element A configured in this manner can be used as a solid oxide fuel cell by passing hydrogen gas through the electrode layer 31 to make it a fuel electrode (anode) and passing air through the counter electrode layer 33 to make it an air electrode (cathode). It is also possible to change this configuration and configure the electrochemical element A so that the electrode layer 31 can be made an air electrode and the counter electrode layer 33 can be made a fuel electrode. That is, for example, a composite oxide such as LSCF or LSM is used as the material of the electrode layer 31, and for example, a composite material such as NiO - GDC, Ni - GDC, NiO - YSZ, Ni - YSZ, CuO - CeO2 , or Cu - CeO2 is used as the material of the counter electrode layer 33. In the electrochemical element A configured in this manner, air is circulated through the electrode layer 31 to serve as an air electrode, and hydrogen gas is circulated through the counter electrode layer 33 to serve as a fuel electrode, so that the electrochemical element A can be used as a solid oxide fuel cell.

(3)上述の実施形態では、第一板状体1と電解質層32との間に電極層31を配置し、電解質層32からみて第一板状体1と反対側に対極電極層33を配置した。電極層31と対極電極層33とを逆に配置する構成も可能である。つまり、第一板状体1と電解質層32との間に対極電極層33を配置し、電解質層32からみて第一板状体1と反対側に電極層31を配置する構成も可能である。この場合、電気化学素子Aへの気体の流通についても変更する必要がある。
すなわち、電極層31と対極電極層33の順や第一ガス、第二ガスのいずれが還元性成分ガス及び酸化性成分ガスの一方または他方であるかについては、電極層31と対極電極層33に対して第一ガス、第二ガスが適正に反応する形態で流通されるよう配置されていれば、種々形態を採用しうる。
(3) In the above embodiment, the electrode layer 31 is disposed between the first plate-like body 1 and the electrolyte layer 32, and the counter electrode layer 33 is disposed on the side opposite the first plate-like body 1 as viewed from the electrolyte layer 32. A configuration in which the electrode layer 31 and the counter electrode layer 33 are disposed in reverse is also possible. That is, a configuration in which the counter electrode layer 33 is disposed between the first plate-like body 1 and the electrolyte layer 32, and the electrode layer 31 is disposed on the side opposite the first plate-like body 1 as viewed from the electrolyte layer 32 is also possible. In this case, it is also necessary to change the flow of gas to the electrochemical element A.
In other words, various configurations can be adopted for the order of the electrode layer 31 and the counter electrode layer 33 and whether the first gas or the second gas is one or the other of the reducing component gas and the oxidizing component gas, as long as the first gas and the second gas are arranged so as to flow in a form that allows them to react appropriately with the electrode layer 31 and the counter electrode layer 33.

(4)また、上述の実施形態では、気体通流許容部1Aを覆って電気化学反応部3を、第一板状体1の第二板状体2とは反対側に設けたが、第一板状体1の第二板状体2側に設けてもよい。すなわち、電気化学反応部3は内部流路A1に配置される構成であっても本発明は成り立つ。 (4) In the above embodiment, the electrochemical reaction section 3 is provided on the side of the first plate-like body 1 opposite the second plate-like body 2, covering the gas flow-permitting section 1A, but it may be provided on the second plate-like body 2 side of the first plate-like body 1. In other words, the present invention is valid even if the electrochemical reaction section 3 is configured to be disposed in the internal flow path A1.

(5)上記実施の形態では、第一貫通部41、第二貫通部51を長方形状の板状支持体10の両端部に一対設ける形態としたが、両端部に設ける形態に限らず、また、2対以上設ける形態であってもよい。また、第一貫通部41、第二貫通部51は、対で設けられている必要はない。よって、第一貫通部41、第二貫通部51それぞれが、1個以上設けられることができる。
さらに、板状支持体10は長方形状に限らず、正方形状、円形状等種々形態を採用することができる。
(5) In the above embodiment, the first through-hole 41 and the second through-hole 51 are provided in pairs at both ends of the rectangular plate-like support 10, but the present invention is not limited to providing them at both ends, and two or more pairs may be provided. In addition, the first through-hole 41 and the second through-hole 51 do not need to be provided in pairs. Thus, one or more first through-holes 41 and one or more second through-holes 51 may be provided.
Furthermore, the shape of the plate-like support 10 is not limited to a rectangular shape, but various shapes such as a square shape, a circular shape, etc. can be adopted.

(6)第一、第二環状シール部42,52は、第一、第二貫通部41、51どうしを連通させてガスの漏洩を防止できる構成であれば形状は問わない。つまり、第一、第二環状シール部42,52は、内部に貫通部に連通する開口部を有する無端状の構成で、隣接する電気化学素子Aどうしの間をシールする構成あればよい。第一、第二環状シール部42,52は例えば環状である。環状には、円形、楕円形、方形、多角形状等いかなる形状でもよい。 (6) The first and second annular seal portions 42, 52 may have any shape as long as they are configured to connect the first and second through-holes 41, 51 to each other and prevent gas leakage. In other words, the first and second annular seal portions 42, 52 may have an endless configuration with an opening therein that connects to the through-hole, and may be configured to seal between adjacent electrochemical elements A. The first and second annular seal portions 42, 52 may be, for example, annular. The annular shape may be any shape, such as circular, elliptical, rectangular, or polygonal.

(7)上記では、板状支持体10は、第一板状体1及び第二板状体2により構成されている。ここで、第一板状体1と第二板状体2とは、別体の板状体から構成されていてもよいし、図13に示すように一の板状体から構成されていてもよい。図13の場合例えば、一の板状体が折り曲げられることで、第一板状体1と第二板状体2とが重ね合される。そして、周縁部1aが溶接等されることで第一板状体1と第二板状体2とが一体化される。なお、第一板状体1と第二板状体2とは一連の継ぎ目のない板状体から構成されていてもよく、一連の板状体が折り曲げられることで図13のように成型されてもよい。
また、後述しているが、第二板状体2が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。同様に、第一板状体1が一の部材から構成されていてもよいし、2以上の部材から構成されていてもよい。
(7) In the above, the plate-shaped support 10 is composed of a first plate-shaped body 1 and a second plate-shaped body 2. Here, the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 may be composed of separate plate-shaped bodies, or may be composed of a single plate-shaped body as shown in FIG. 13. In the case of FIG. 13, for example, the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 are overlapped by folding the single plate-shaped body. Then, the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 are integrated by welding the peripheral portion 1a or the like. Note that the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 may be composed of a series of seamless plate-shaped bodies, or may be molded as shown in FIG. 13 by folding a series of plate-shaped bodies.
As described later, the second plate-like body 2 may be made of one member or may be made of two or more members. Similarly, the first plate-like body 1 may be made of one member or may be made of two or more members.

(8)上記の第二板状体2は、第一板状体1とともに内部流路A1を形成する。内部流路A1は、分配部A12、複数の副流路A11、合流部A13を有している。分配部A12に供給された第一ガスは、図1に示すように、複数の副流路A11それぞれに分配して供給され、複数の副流路A11の出口で合流部A13において合流する。よって、第一ガスは、分配部A12から合流部A13に向かうガス流れ方向に沿って流れる。
複数の副流路A11は、第二板状体2のうち分配部A12から合流部A13以外の部分を波板状に形成することで構成されている。そして、図5に示すように、複数の副流路A11は、第一ガスのガス流れ方向に交差する流れ交差方向での断面視において波板状に構成されている。このような複数の副流路A11は、図1に示すガス流れ方向に沿って波板が延びて形成されている。複数の副流路A11は、分配部A12と合流部A13との間で一連の波状の板状体から形成されていてもよいし、2以上の波状の板状体から構成されていてもよい。複数の副流路A11は、例えば、ガス流れ方向に沿う方向に沿って分離した2以上の波状の板状体から構成されていてもよいし、流れ交差方向に沿う方向に沿って分離した2以上の波状の板状体から構成されていてもよい。
(8) The second plate-like body 2 forms an internal flow path A1 together with the first plate-like body 1. The internal flow path A1 has a distribution section A12, a plurality of sub-flow paths A11, and a junction section A13. The first gas supplied to the distribution section A12 is distributed and supplied to each of the plurality of sub-flow paths A11 as shown in Fig. 1, and is junctioned at the junction section A13 at the outlets of the plurality of sub-flow paths A11. Thus, the first gas flows along the gas flow direction from the distribution section A12 toward the junction section A13.
The sub-flow passages A11 are formed by forming the second plate-like body 2 in a corrugated shape from the distribution section A12 to the junction section A13. As shown in FIG. 5, the sub-flow passages A11 are formed in a corrugated shape in a cross-sectional view in a flow cross direction that crosses the gas flow direction of the first gas. Such a sub-flow passages A11 are formed by extending a corrugated plate along the gas flow direction shown in FIG. 1. The sub-flow passages A11 may be formed from a series of corrugated plate-like bodies between the distribution section A12 and the junction section A13, or may be composed of two or more corrugated plate-like bodies. The sub-flow passages A11 may be formed from, for example, two or more corrugated plate-like bodies separated along the gas flow direction, or may be composed of two or more corrugated plate-like bodies separated along the flow cross direction.

また、複数の副流路A11は、図5に示すように同一形状の山及び谷が繰り返し形成されることで波形に構成されている。しかし、第二板状体2は、複数の副流路A11が形成される領域において板状部分を有していてもよい。例えば、複数の副流路A11は、板状部分と突状部分とが交互に形成されることで構成されていてもよい。そして、突状部分を第一ガス等の流体が通流する部分とすることができる。 The multiple sub-flow paths A11 are formed in a wavy shape by repeatedly forming peaks and valleys of the same shape as shown in FIG. 5. However, the second plate-like body 2 may have plate-like portions in the area where the multiple sub-flow paths A11 are formed. For example, the multiple sub-flow paths A11 may be formed by alternately forming plate-like portions and protruding portions. The protruding portions may be portions through which a fluid such as the first gas flows.

(9)上記の第二板状体2において複数の副流路A11に相当する部分は、全面が波板状に形成されている必要はなく、少なくとも一部が波板状に形成されていればよい。第二板状体2は、例えば、分配部A12と合流部A13との間において、ガス流れ方向の一部が平板状であり、残りが波板状であってもよい。また、第二板状体2は、流れ交差方向の一部が平板状であり、残りが波板状であってもよい。 (9) The portion of the second plate-like body 2 corresponding to the multiple sub-flow paths A11 does not need to be entirely corrugated, but at least a portion of it may be corrugated. For example, between the distribution section A12 and the merging section A13, the second plate-like body 2 may have a flat portion in the gas flow direction and a corrugated portion in the remainder. Also, the second plate-like body 2 may have a flat portion in the cross-flow direction and a corrugated portion in the remainder.

(10)上記実施形態において、電気化学装置は、複数の電気化学素子Aを備える電気化学モジュールMを備えている。しかし、上記実施形態の電気化学装置は1つの電気化学素子を備える構成にも適用可能である。 (10) In the above embodiment, the electrochemical device includes an electrochemical module M including multiple electrochemical elements A. However, the electrochemical device of the above embodiment can also be applied to a configuration including one electrochemical element.

なお、上記の実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configurations disclosed in the above embodiments can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments, provided no inconsistencies arise. Furthermore, the embodiments disclosed in this specification are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments. They can be modified as appropriate within the scope of the purpose of the present invention.

本発明は、環状スペーサ、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形電解セルに利用可能である。 The present invention can be used in annular spacers, electrochemical elements, electrochemical modules, electrochemical devices, energy systems, solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells.

1 :第一板状体
2 :第二板状体
10 :板状支持体
25 :燃料変換器
31 :電極層(第1電極、第2電極)
32 :電解質層
33 :対極電極層(第1電極、第2電極)
41 :第一貫通部(貫通部)
51 :第二貫通部(貫通部)
91 :環状スペーサ
91a :貫通孔
91b :流路
93 :突出部
95 :第1部位
96 :第2部位
100 :電気化学装置
104 :電力変換器
200 :熱交換器(排熱利用部)
A :電気化学素子
A1 :内部流路
CS1 :面
CS2 :面
M :電気化学モジュール
P :空間
SI :空間
SO :空間
T :隙間
Z :エネルギーシステム


1: First plate-like body 2: Second plate-like body 10: Plate-like support body 25: Fuel converter 31: Electrode layer (first electrode, second electrode)
32: Electrolyte layer 33: Counter electrode layer (first electrode, second electrode)
41: First penetration part (penetration part)
51: Second penetration part (penetration part)
91: Annular spacer 91a: Through hole 91b: Flow path 93: Protrusion 95: First portion 96: Second portion 100: Electrochemical device 104: Power converter 200: Heat exchanger (exhaust heat utilization portion)
A: Electrochemical element A1: Internal flow path CS1: Surface CS2: Surface M: Electrochemical module P: Space SI: Space SO: Space T: Gap Z: Energy system


Claims (13)

表裏にわたる貫通孔を備える板状の環状スペーサであって、他の部材に挟まれた状態で前記貫通孔の内側の空間から前記環状スペーサの外側の空間まで気体を通流させる流路を備え
前記環状スペーサの中央部において、前記貫通孔の周壁を形成するように、表面及び裏面の少なくとも一方に周囲よりも表裏方向に突出するフランジ状のフランジ部を備える環状スペーサ。
a plate-shaped annular spacer having a through hole extending from the front to the back, the plate-shaped annular spacer including a flow path for allowing a gas to flow from a space inside the through hole to a space outside the annular spacer when the plate-shaped annular spacer is sandwiched between other members ;
The annular spacer includes a flange portion on at least one of a front surface and a back surface, the flange portion protruding in a front-back direction from a periphery at a central portion of the annular spacer so as to form a peripheral wall of the through hole .
平板状の基部と、前記基部における表面及び裏面の少なくとも一方に周囲よりも表裏方向に突出する突出部を備え、前記突出部の周囲の空間が前記流路として機能し、前記基部の中央部に前記フランジ部を備える請求項1に記載の環状スペーサ。 2. An annular spacer as described in claim 1, comprising a flat base and a protrusion on at least one of the front and back surfaces of the base that protrudes in the front-back direction beyond the surrounding area, the space around the protrusion functions as the flow path , and the flange portion is provided in the center of the base . 隙間を空けて配置される複数の第1部位と、前記第1部位を連結する第2部位と、を備え、前記隙間が前記流路として機能し、前記第2部位が前記フランジ部となるように構成してある請求項1に記載の環状スペーサ。 2. The annular spacer according to claim 1, comprising a plurality of first portions arranged with gaps therebetween and a second portion connecting the first portions, the gaps functioning as the flow paths and the second portions functioning as the flange portions . 電気伝導性を有する材料により形成される請求項1から3のいずれか1項に記載の環状スペーサ。 The annular spacer according to any one of claims 1 to 3, which is made of an electrically conductive material. 前記材料が、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、インコネル、銅及びインバー材を何れか1つ以上含む請求項4に記載の環状スペーサ。 The annular spacer according to claim 4, wherein the material includes one or more of ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, Inconel, copper, and Invar. 電解質層と、前記電解質層の両側にそれぞれ配置されている第1電極及び第2電極と、前記電解質層と前記第1電極と前記第2電極とを支持する板状支持体と、を備える電気化学素子であって、
前記板状支持体は、導電性の第一板状体と、導電性の第二板状体と、前記第一板状体と前記第二板状体との対向面間に形成された内部流路と、を備え、
請求項1から5の何れか1項に記載の環状スペーサが前記第一板状体と前記第二板状体との間に配置されている電気化学素子。
An electrochemical element comprising: an electrolyte layer; a first electrode and a second electrode disposed on either side of the electrolyte layer; and a plate-shaped support supporting the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode,
The plate-shaped support includes a conductive first plate-shaped body, a conductive second plate-shaped body, and an internal flow path formed between opposing surfaces of the first plate-shaped body and the second plate-shaped body,
An electrochemical element, comprising: the annular spacer according to claim 1 disposed between the first plate-like body and the second plate-like body.
前記第一板状体及び前記第二板状体のうち少なくとも一方が、前記内部流路への気体の供給路を形成する貫通部を備え、前記板状支持体の厚さ方向視において前記貫通部と前記環状スペーサの前記貫通孔とが重なるように、前記環状スペーサが配置されている請求項6に記載の電気化学素子。 The electrochemical element according to claim 6, wherein at least one of the first plate-like body and the second plate-like body has a through-hole that forms a gas supply path to the internal flow path, and the annular spacer is arranged so that the through-hole overlaps with the through-hole of the annular spacer when viewed in the thickness direction of the plate-like support. 請求項6または7に記載の電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュール。 An electrochemical module in which a plurality of electrochemical elements according to claim 6 or 7 are arranged in an assembled state. 請求項6または7に記載の電気化学素子もしくは請求項8に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子または前記電気化学モジュールに供給する還元性成分を生成する、或いは、前記電気化学素子または前記電気化学モジュールで生成する還元性成分を含有するガスを変換する燃料変換器とを少なくとも有する電気化学装置。 An electrochemical device comprising at least the electrochemical element according to claim 6 or 7 or the electrochemical module according to claim 8, and a fuel converter that generates a reducing component to be supplied to the electrochemical element or the electrochemical module, or that converts a gas containing a reducing component generated by the electrochemical element or the electrochemical module. 請求項6または7に記載の電気化学素子もしくは請求項8に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールから電力を取り出すあるいは前記電気化学素子もしくは前記電気化学モジュールに電力を流通する電力変換器とを少なくとも有する電気化学装置。 An electrochemical device comprising at least the electrochemical element according to claim 6 or 7 or the electrochemical module according to claim 8, and a power converter that extracts power from the electrochemical element or the electrochemical module or passes power to the electrochemical element or the electrochemical module. 請求項9または10に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部とを有するエネルギーシステム。 An energy system having the electrochemical device according to claim 9 or 10 and a waste heat utilization section that reuses heat discharged from the electrochemical device. 請求項6または7に記載の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising the electrochemical element according to claim 6 or 7, in which a power generation reaction occurs in the electrochemical element. 請求項6または7に記載の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で電解反応を生じさせる固体酸化物形電解セル。 A solid oxide electrolysis cell comprising the electrochemical element according to claim 6 or 7, in which an electrolytic reaction occurs.
JP2021059954A 2021-03-31 2021-03-31 Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell Active JP7645683B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021059954A JP7645683B2 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021059954A JP7645683B2 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022156333A JP2022156333A (en) 2022-10-14
JP7645683B2 true JP7645683B2 (en) 2025-03-14

Family

ID=83559192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021059954A Active JP7645683B2 (en) 2021-03-31 2021-03-31 Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7645683B2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005353421A (en) 2004-06-10 2005-12-22 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
JP2006147532A (en) 2004-10-22 2006-06-08 Nissan Motor Co Ltd Solid oxide fuel cell and stack structure
JP2009140681A (en) 2007-12-05 2009-06-25 Nissan Motor Co Ltd Cell unit, cell stack and fuel cell
JP2013209736A (en) 2012-03-30 2013-10-10 Equos Research Co Ltd Sunlight utilization system
JP2014143052A (en) 2013-01-23 2014-08-07 Nissan Motor Co Ltd Solid electrolyte fuel cell unit and method for manufacturing the same
JP2019200878A (en) 2018-05-15 2019-11-21 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07201353A (en) * 1993-11-29 1995-08-04 Toshiba Corp Fuel cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005353421A (en) 2004-06-10 2005-12-22 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell
JP2006147532A (en) 2004-10-22 2006-06-08 Nissan Motor Co Ltd Solid oxide fuel cell and stack structure
JP2009140681A (en) 2007-12-05 2009-06-25 Nissan Motor Co Ltd Cell unit, cell stack and fuel cell
JP2013209736A (en) 2012-03-30 2013-10-10 Equos Research Co Ltd Sunlight utilization system
JP2014143052A (en) 2013-01-23 2014-08-07 Nissan Motor Co Ltd Solid electrolyte fuel cell unit and method for manufacturing the same
JP2019200878A (en) 2018-05-15 2019-11-21 日本特殊陶業株式会社 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022156333A (en) 2022-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7444683B2 (en) Metal support, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolytic cell, and method for producing metal support
JP7353270B2 (en) Electrochemical elements, electrochemical modules, electrochemical devices and energy systems
JP7174498B2 (en) Electrochemical element unit, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell unit and solid oxide electrolysis cell unit
JP7470037B2 (en) METAL SUPPORT FOR ELECTROCHEMICAL ELEMENT, ... MODULE, ELECTROCHEMICAL DEVICE, ENERGY SYSTEM, SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL, AND METHOD FOR PRODUCING METAL SUPPORT
JP7470038B2 (en) METAL SUPPORT FOR ELECTROCHEMICAL ELEMENT, ... MODULE, ELECTROCHEMICAL DEVICE, ENERGY SYSTEM, SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL, AND METHOD FOR PRODUCING METAL SUPPORT
JP7499902B2 (en) Electrochemical module, electrochemical device and energy system
JP7202061B2 (en) Electrochemical elements, electrochemical modules, electrochemical devices, energy systems, and solid oxide fuel cells
US12110598B2 (en) Manufacturing method for alloy material, alloy material, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system and solid oxide fuel cell
JP7561511B2 (en) Metal support for electrochemical element, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell
US20210119224A1 (en) Metal Plate, Electrochemical Element, Electrochemical Module, Electrochemical Device, Energy System, Solid Oxide Fuel Cell, and Method for Manufacturing Metal Plate
JP7672263B2 (en) Electrochemical modules, electrochemical devices, energy systems, solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells
JP7645683B2 (en) Annular spacer, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and solid oxide electrolysis cell
US11749824B2 (en) Metal plate, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and method for manufacturing metal plate
JP7650699B2 (en) Electrochemical modules, electrochemical devices, energy systems, solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells
JP7833921B2 (en) Electrochemical elements, electrochemical modules, solid oxide fuel cells, solid oxide electrolytic cells, electrochemical devices and energy systems
JP7634406B2 (en) Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolysis cell, and method for manufacturing electrochemical element
JP2025043102A (en) Electrochemical module, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolysis cell, electrochemical device and energy system
JP2025152842A (en) Electrochemical element stack, electrochemical device and energy system
JP2025152840A (en) Electrochemical modules, electrochemical devices and energy systems
JP2025152841A (en) Plate-shaped support, electrochemical element, electrochemical device and energy system
JP2025152838A (en) Electrochemical Modules and Energy Systems

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231102

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240814

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240827

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20241025

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241216

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250204

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250304

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7645683

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150