JP7668972B2 - Electrochemical Cell - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学セルに関する。 The present invention relates to an electrochemical cell.
特許文献1には、複数の連通孔が形成された金属板と、金属板によって支持されるセル本体部と、金属板との間にガス流路を形成する流路部材とを備えるメタルサポート型の電気化学セル(電解セル、燃料電池など)が開示されている。セル本体部は、金属板上に形成される第1電極層と、第2電極層と、第1電極層及び第2電極層の間に配置される電解質層とを有する。
特許文献1に記載の電気化学セルでは、第1電極層と金属板との間を電流が流れるルートのみ存在するため、第1電極層のうち金属板と接する領域に電流が集中することによって、当該領域の劣化が局所的に進行しやすい。In the electrochemical cell described in
本発明の課題は、第1電極層の局所的な劣化を抑制可能な電気化学セルを提供することにある。 The object of the present invention is to provide an electrochemical cell capable of suppressing localized deterioration of the first electrode layer.
本発明の第1側面に係る電気化学セルは、金属板と、セル本体部と、集電部と、導電性の流路部材と、電気接続部材とを備える。金属板は、第1主面と、第2主面と、第1主面及び第2主面に連通する複数の連通孔とを有する。セル本体部は、金属板の第1主面上に形成される第1電極層と、第2電極層と、第1電極層及び第2電極層の間に配置される電解質層とを有する。集電部は、複数の連通孔内に配置され、第1電極層に接続される複数の第1部分を有する。流路部材は、第2主面に接合され、金属板との間にガス流路を形成する。電気接続部材は、ガス流路に配置され、流路部材及び金属板の少なくとも一方と集電部とを電気的に接続する。The electrochemical cell according to the first aspect of the present invention comprises a metal plate, a cell body, a current collector, a conductive flow path member, and an electrical connection member. The metal plate has a first main surface, a second main surface, and a plurality of communication holes communicating with the first main surface and the second main surface. The cell body has a first electrode layer formed on the first main surface of the metal plate, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer. The current collector is disposed in the plurality of communication holes and has a plurality of first portions connected to the first electrode layer. The flow path member is joined to the second main surface and forms a gas flow path between the metal plate. The electrical connection member is disposed in the gas flow path and electrically connects at least one of the flow path member and the metal plate to the current collector.
本発明の第2側面に係る電気化学セルは、上記第1の側面に係り、集電部及び電気接続部材を経由して第1電極層と流路部材の間を流れる第1電流ルートの電気抵抗は、金属板を経由して第1電極層と流路部材の間を流れる第2電流ルートの電気抵抗より小さい。The electrochemical cell according to the second aspect of the present invention relates to the above-mentioned first aspect, and the electrical resistance of a first current route flowing between the first electrode layer and the flow path member via a current collecting portion and an electrical connection member is smaller than the electrical resistance of a second current route flowing between the first electrode layer and the flow path member via a metal plate.
本発明の第3側面に係る電気化学セルは、上記第2の側面に係り、電気接続部材は、集電部及び流路部材それぞれと金属-金属接続されており、金属板は、基材と、基材の表面を覆う酸化皮膜とを有する。The electrochemical cell according to the third aspect of the present invention relates to the second aspect described above, and the electrical connection member is metal-metal connected to each of the current collecting portion and the flow path member, and the metal plate has a base material and an oxide coating covering the surface of the base material.
本発明の第4側面に係る電気化学セルは、上記第1乃至第3いずれかの側面に係り、集電部は、金属板の第2主面上において層状に形成され、複数の第1部分に接続される第2部分を有する。The electrochemical cell according to a fourth aspect of the present invention relates to any one of the first to third aspects, and the current collecting portion is formed in a layer on the second main surface of the metal plate and has a second portion connected to a plurality of first portions.
本発明によれば、第1電極層の局所的な劣化を抑制可能な電気化学セルを提供することができる。 The present invention provides an electrochemical cell capable of suppressing localized deterioration of the first electrode layer.
実施形態に係る電解セルについて図面を参照しながら説明する。電解セルは、電気化学セルの一例である。本実施形態では、電解セルの一例として、セラミックス製の固体酸化物形電解セル(SOEC)について説明する。以下の説明では、固体酸化物形電解セルを「電解セル」と略称する。An electrolytic cell according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The electrolytic cell is an example of an electrochemical cell. In this embodiment, a ceramic solid oxide electrolytic cell (SOEC) will be described as an example of an electrolytic cell. In the following description, the solid oxide electrolytic cell will be abbreviated as "electrolytic cell."
図1は、実施形態に係る電解セル1の断面図である。図2は、図1の部分拡大図である。
Figure 1 is a cross-sectional view of an
図1に示すように、セル1は、金属板10、セル本体部20、集電部30、流路部材40及び電気接続部材50を備える。As shown in FIG. 1, the
(金属板10)
金属板10は、セル本体部20を支持する。本実施形態において、金属板10は、板状に形成されている。金属板10は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属板10は、セル1の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば0.1mm以上2.0mm以下とすることができる。
(Metal plate 10)
The
図1に示すように、金属板10は、第1主面11、第2主面12、及び複数の連通孔13を有する。金属板10の第1主面11上には、セル本体部20が配置される。金属板10の第2主面12は、第1主面11の反対側に設けられる。金属板10の第2主面12上には、後述する集電部30の第2部分32が配置される。また、金属板10の第2主面12には、流路部材40が接合される。本実施形態では、図2に示すように、金属板10と流路部材40が、接合部60によって接合されている。As shown in FIG. 1, the
複数の連通孔13は、後述する水素極層21に対応する領域に形成される。各連通孔13は、第1主面11と第2主面12に連通する。各連通孔13内には、後述する集電部30の第1部分31が配置されている。本実施形態において、第1部分31は、連通孔13に充填されている。各連通孔13は、第1主面11及び第2主面12それぞれに開口する。各連通孔13の第1主面11側の開口は、水素極層21によって覆われている。各連通孔13の第2主面12側の開口は、集電部30の第2部分32によって覆われている。A plurality of
平面視における連通孔13の面積は、例えば、0.00005mm2以上1mm2以下とすることができる。また、連通孔13の平面視形状が略円形である場合、連通孔13の直径は、例えば、10μm以上1000μm以下とすることができる。なお、連通孔13の平面視形状は矩形状であってもよい。
The area of the
連通孔13は、機械加工(例えば、パンチング加工)、レーザ加工、或いは、化学加工(例えば、エッチング加工)などによって形成することができる。また、連通孔13は、金属板10の厚み方向に沿って形成されていなくてよいため、網目状の細孔を有する多孔質金属によって金属板10を構成してもよい。The through
図2に示すように、本実施形態に係る金属板10は、基材14と、酸化皮膜15とによって構成される。As shown in Figure 2, the
基材14は、金属材料によって構成される。基材14は、例えば、Cr(クロム)を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Fe-Cr系合金鋼(ステンレス鋼など)やNi-Cr系合金鋼などが挙げられる。金属板10におけるCrの含有率は特に制限されないが、4質量%以上30質量%以下とすることができる。The
基材14は、Ti(チタン)やZr(ジルコニウム)を含有していてもよい。基材14におけるTiの含有率は特に制限されないが、0.01mol%以上1.0mol%以下とすることができる。基材14におけるZrの含有率は特に制限されないが、0.01mol%以上0.4mol%以下とすることができる。基材14は、TiをTiO2(チタニア)として含有していてもよいし、ZrをZrO2(ジルコニア)として含有していてもよい。
The
酸化皮膜15は、基材14の表面のうち少なくとも一部を覆っている。本実施形態では、図2に示すように、酸化皮膜15は、基材14の表面のうち接合部60が接合された領域以外の領域を覆っている。従って、酸化皮膜15は、基材14と後述する水素極層21の間、及び、基材14と集電部30の間に介挿されている。The
酸化皮膜15は、基材14の構成元素の酸化物によって構成することができる。例えば、基材14がCrを含有する合金材料によって構成される場合、酸化皮膜15は酸化クロムを主成分として含有していてもよい。酸化クロムを主成分として含むとは、酸化皮膜15において酸化クロムが70重量%以上を占めることを意味する。The
酸化皮膜15の厚みは特に制限されないが、例えば0.1μm以上20μm以下とすることができる。The thickness of the
なお、酸化皮膜15は、材料ペーストを基材14の表面に塗布することによって形成することができるが、基材14を空気中に放置して酸化させることによっても形成することができる。The
(セル本体部20)
図1に示すように、セル本体部20は、金属板10の第1主面11上に配置される。セル本体部20は、水素極層21(カソード)、電解質層22、反応防止層23及び酸素極層24(アノード)を有する。水素極層21は、本発明に係る「第1電極層」の一例であり、酸素極層24は、本発明に係る「第2電極層」の一例である。
(Cell body 20)
1, the
水素極層21、電解質層22、反応防止層23及び酸素極層24は、この順で金属板10側から積層されている。ただし、セル本体部20は、反応防止層23を有していなくてもよい。The
[水素極層21]
図1に示すように、水素極層21は、金属板10の第1主面11上に形成される。水素極層21は、第1主面11のうち複数の連通孔13が設けられた領域を覆うように設けられる。
[Hydrogen electrode layer 21]
1, the
水素極層21には、金属板10の各連通孔13を介して、原料ガスが供給される。本実施形態において、原料ガスは少なくともH2Oを含む。
A source gas is supplied to the
原料ガスがH2Oのみを含む場合、水素極層21は、下記(1)式に示す水電解の電気化学反応に従って、原料ガスからH2を生成する。
When the source gas contains only H 2 O, the
・水素極層21:H2O+2e-→H2+O2-・・・(1) Hydrogen electrode layer 21: H2O+2e-→H2+O2-... (1)
原料ガスがH2Oに加えてCO2を含む場合、水素極層21は、下記(2)、(3)、(4)式に示す共電解の電気化学反応に従って、原料ガスからH2、CO及びO2-を生成する。
When the source gas contains CO 2 in addition to H 2 O, the
・水素極層21:CO2+H2O+4e-→CO+H2+2O2-・・・(2)
・H2Oの電気化学反応:H2O+2e-→H2+O2-・・・(3)
・CO2の電気化学反応:CO2+2e-→CO+O2-・・・(4)
・Hydrogen electrode layer 21: CO 2 +H 2 O+4e - →CO+H 2 +2O 2 -...(2)
Electrochemical reaction of H 2 O: H 2 O + 2e − → H 2 + O 2− (3)
Electrochemical reaction of CO2 : CO2 + 2e- → CO + O2 -... (4)
水素極層21は、導電性を有する多孔質材料によって構成される。水素極層21は、酸化物イオン伝導性を有していてよい。水素極層21は、例えば、8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、ガドリニウムドープセリア(GDC)、サマリウムドープセリア(SDC)、(La,Sr)(Cr,Mn)O3、(La,Sr)TiO3、Sr2(Fe,Mo)2O6、(La,Sr)VO3、(La,Sr)FeO3、及びこれらのうち2つ以上を組み合わせた混合材料、或いは、これらのうち1以上とNiOとの複合材料によって構成することができる。
The
水素極層21の気孔率は特に制限されないが、例えば5%以上70%以下とすることができる。水素極層21の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。The porosity of the
水素極層21の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法(溶射法、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)、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法などを用いることができる。The method for forming the
[電解質層22]
図1に示すように、電解質層22は、水素極層21及び酸素極層24の間に配置される。本実施形態では、セル本体部20が反応防止層23を有しているため、電解質層22は、水素極層21及び反応防止層23の間に介挿されている。
[Electrolyte layer 22]
1 , the
電解質層22は、水素極層21全体を覆うように配置される。電解質層22の外周部は、金属板10の第1主面11に接合されている。これにより、水素極層21と酸素極層24の間の気密性を確保できるため、金属板10と電解質層22の間を別途封止する必要がない。The
電解質層22は、水素極層21において生成されたO2-を酸素極層24側に伝達させる。電解質層22は、酸化物イオン伝導性を有する緻密体である。酸化物イオン伝導性材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア、例えば8YSZ)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウム固溶セリア)、LSGM(ランタンガレート)、及びこれらの複合材料が挙げられる。
The
電解質層22の気孔率は特に制限されないが、例えば0.1%以上7%以下とすることができる。電解質層22の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。The porosity of the
電解質層22の形成方法は特に制限されず、例えば、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。The method for forming the
[反応防止層23]
図1に示すように、反応防止層23は、電解質層22上に配置される。反応防止層23は、電解質層22及び酸素極層24の間に介挿される。反応防止層23は、酸素極層24の構成材料と電解質層22の構成材料とが反応して電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制する。
[Reaction prevention layer 23]
1, the
反応防止層23は、酸化物イオン伝導性を有する材料によって構成される。反応防止層23は、GDC、SDCなどのセリア系材料によって構成することができる。The
反応防止層23の気孔率は特に制限されないが、例えば0%以上50%以下とすることができる。反応防止層23の厚さは特に制限されないが、例えば3μm以上50μm以下とすることができる。The porosity of the
反応防止層23の形成方法は特に制限されず、例えば、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。The method for forming the
[酸素極層24]
図1に示すように、酸素極層24は、電解質層22を基準として水素極層21の反対側に配置される。本実施形態では、電解質層22及び酸素極層24の間に反応防止層23が配置されているので、酸素極層24は反応防止層23に接続される。電解質層22及び酸素極層24の間に反応防止層23が配置されない場合、酸素極層24は電解質層22に接続される。
[Oxygen electrode layer 24]
1 , the
酸素極層24は、下記(5)式の化学反応に従って、電解質層22を介して水素極層21から伝達されるO2-からO2を生成する。
The
・酸素極層24:2O2-→O2+4e-・・・(5) Oxygen electrode layer 24: 2O 2− →O 2 +4e − (5)
酸素極層24は、酸化物イオン伝導性及び導電性を有する多孔質材料によって構成される。酸素極層24は、例えば(La,Sr)(Co,Fe)O3、(La,Sr)FeO3、La(Ni,Fe)O3、(La,Sr)CoO3、及び(Sm,Sr)CoO3のうち1つ以上と酸化物イオン伝導材料(GDCなど)との複合材料によって構成することができる。
The
酸素極層24の気孔率は特に制限されないが、例えば20%以上60%以下とすることができる。酸素極層24の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。The porosity of the
酸素極層24の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、PVD法、CVD法などを用いることができる。The method for forming the
(集電部30)
図1に示すように、集電部30は、水素極層21を基準として電解質層22の反対側に配置される。集電部30は、水素極層21に接続される。
(Current collecting portion 30)
1, the current collecting
集電部30は、導電性を有する金属材料、導電性を有するセラミックス材料、導電性を有する金属材料と導電性を有するセラミックス材料の複合材料、或いは、導電性を有さないセラミックス材料と導電性を有する金属材料の複合材料によって構成することができる。導電性を有する金属材料としては、例えば、Fe、Ni、Cu、Au、Ptなどが挙げられる。導電性を有するセラミックス材料としては、例えば、(La,Sr)MnO3、La(Cr,Ca)O3、(La,Sr)TiO3などが挙げられる。導電性を有さないセラミックス材料としては、例えば、ZrO2、CeO2、Y2O3、Al2O3、Mg2SiOxなどが挙げられる。
The
集電部30は、水素極層21と同じ材料によって構成されてもよい。この場合、集電部30は、水素極層21と実質的に一体であってもよい。The
集電部30の気孔率は特に制限されないが、例えば30%以上70%以下とすることができる。The porosity of the current collecting
図1に示すように、集電部30は、複数の第1部分31と、第2部分32とを有する。As shown in FIG. 1, the
各第1部分31は、金属板10の各連通孔13内に配置される。ただし、各第1部分31は、空孔や亀裂などを内部に含んでいてもよい。各第1部分31は、水素極層21に接続される。Each
第1部分31の直径は、連通孔13の直径と実質的に同じである。金属板10の厚み方向において、第1部分31の高さは、連通孔13の長さと実質的に同じである。The diameter of the
第2部分32は、金属板10の第2主面12上において層状に形成される。第2部分32は、第2主面12のうち複数の連通孔13が設けられた領域を覆うように設けられる。第2部分32は、各第1部分31に接続される。第2部分32は、各第1部分31と一体的に形成される。The
第2部分32の厚みは特に制限されないが、例えば1μm以上100μm以下とすることができる。The thickness of the
第1部分31は、集電部30の構成材料を含む材料ペーストを金属板10の各連通孔13に注入した後に焼成することによって形成することができる。第2部分32は、材料ペーストを金属板10の第2主面12に塗布した後に焼成することによって形成することができる。第1部分31及び第2部分32は、同時に焼成することによって形成してもよい。なお、第1部分31及び第2部分32の形成方法は焼成法に制限されず、例えば、溶射法、AD(Aerosol Deposition)法及びスパッタリング法などの気相成長法を用いることができる。The
[流路部材40]
流路部材40は、金属板10の第2主面12に接合される。流路部材40は、金属板10側に開口したトレー状に形成される。流路部材40の開口は、金属板10によって覆われている。これによって、流路部材40と金属板10との間にガス流路41が形成される。本実施形態では、ガス流路41に原料ガスが供給される。
[Flow path member 40]
The
図1に示すように、流路部材40は、枠体42及びインターコネクタ43を有する。As shown in FIG. 1, the
枠体42は、接合部60を介して、金属板10の第2主面12に接合される。接合部60は、金属板10の基材14と枠体42の基材44とを溶接或いはロウ付けすることによって形成される。枠体42は、ガス流路41を取り囲む環状部材である。枠体42は、集電部30の周囲を取り囲むように配置される。The
図2に示すように、本実施形態に係る枠体42は、基材44と、酸化皮膜45とによって構成される。基材44は、金属材料によって構成される。基材44の構成は、上述した金属板10の基材14と同様である。酸化皮膜45は、基材44の表面のうち少なくとも一部を覆っている。本実施形態では、図2に示すように、酸化皮膜45は、基材44の表面のうち接合部60及び後述する接合部70が接合された領域以外の領域を覆っている。酸化皮膜45の構成は、上述した金属板10の酸化皮膜15と同様である。As shown in FIG. 2, the
インターコネクタ43は、電解セル1を外部電源又は他の電解セルと電気的に直列に接続するための板状部材である。インターコネクタ43は、接合部70を介して、枠体42に接合される。接合部70は、枠体42の基材44とインターコネクタ43の基材46とを溶接或いはロウ付けすることによって形成される。インターコネクタ43は、ガス流路41を挟んで集電部30と対向する。The
図2に示すように、本実施形態に係るインターコネクタ43は、基材46と、酸化皮膜47とによって構成される。基材46は、金属材料によって構成される。基材46の構成は、上述した金属板10の基材14と同様である。酸化皮膜47は、基材46の表面のうち少なくとも一部を覆っている。本実施形態では、図2に示すように、酸化皮膜47は、基材46の表面のうち、接合部70が接合された領域と、電気接続部材50が接続される接続領域46aとを除いた領域を覆っている。酸化皮膜47の構成は、上述した金属板10の酸化皮膜15と同様である。2, the
なお、本実施形態では、枠体42とインターコネクタ43が別々の部材であるが、枠体42とインターコネクタ43は一体の部材であってもよい。In this embodiment, the
(電気接続部材50)
図1に示すように、電気接続部材50は、ガス流路41に配置される。電気接続部材50は、集電部30及び流路部材40を電気的に接続する。より詳細には、図2に示すように、電気接続部材50は、集電部30の第2部分32と、流路部材40のうちインターコネクタ43の基材46とを電気的に接続する。
(Electrical connection member 50)
As shown in Fig. 1, the
電気接続部材50は、ガス流路41を流れる原料ガスの流通を妨げないよう通気性を有していることが好ましい。電気接続部材50の通気性は、例えば、電気接続部材50自体が多孔質体であることによって、或いは、網目状に編み込まれたメッシュ素材で電気接続部材50を構成することによって得ることができる。It is preferable that the
電気接続部材50は、導電性を有し、かつ、表面に酸化皮膜が形成されない金属材料によって構成される。このような金属材料としては、例えば、Ni、Fe、Cu、Au、Ptなどが挙げられる。The
本実施形態において、電気接続部材50は、集電部30の第2部分32と金属-金属接続されている。金属-金属接続とは、二つの部材が金属元素のみを介して電気接続されていることを意味する。集電部30と電気接続部材50の金属-金属接続としては、第2部分32に含まれる金属元素と電気接続部材50に含まれる金属元素とが直接接触することで直接的に電気接続される形態と、第2部分32に含まれる金属元素と電気接続部材50に含まれる金属元素とが導電性接合材に含まれる金属元素を介して間接的に電気接続される形態とが含まれる。直接的な電気接続は、第2部分32に電気接続部材50を直接接触させることによって形成できる。間接的な電気接続は、導電性接合材を用いて第2部分32に電気接続部材50を接合させることによって形成できる。導電性接合材としては、金属元素を含有する金属ペーストなどを用いることができる。In this embodiment, the
本実施形態において、電気接続部材50は、流路部材40のインターコネクタ43と金属-金属接続されている。流路部材40と電気接続部材50の金属-金属接続としては、基材46に含まれる金属元素と電気接続部材50に含まれる金属元素とが直接接触することで直接的に電気接続される形態と、基材46に含まれる金属元素と電気接続部材50に含まれる金属元素とが導電性接合材に含まれる金属元素を介して間接的に電気接続される形態とが含まれる。直接的な電気接続は、基材46に電気接続部材50を直接接触させることによって、或いは、互いを溶接することによって形成できる。間接的な電気接続は、導電性接合材を用いて基材46に電気接続部材50を接合させることによって、或いは、ロウ付けすることによって形成できる。導電性接合材としては、金属元素を含有する金属ペーストやロウ材などを用いることができる。In this embodiment, the
(電流ルート)
本実施形態に係る電解セル1では、図2に示すように、水素極層21と流路部材40の間を流れる電流のルートとして、第1電流ルートR1と第2電流ルートR2の2つが存在する。
(Current route)
In the
第1電流ルートR1は、集電部30及び電気接続部材50を経由して水素極層21から流路部材40に至るルートである。具体的には、第1電流ルートR1は、水素極層21→集電部30→電気接続部材50→インターコネクタ43の順に電流が流れるルートである。第1電流ルートR1は、水素極層21から金属板10に直接電流が流れないルートであり、従来のメタルサポート型の電解セル(例えば、特開2020-155337号参照)には存在しないルートである。The first current route R1 is a route from the
第2電流ルートR2は、集電部30及び電気接続部材50を経由せずに水素極層21から流路部材40に至るルートである。具体的には、第2電流ルートR2は、水素極層21→金属板10→接合部60→枠体42→接合部70→インターコネクタ43の順に電流が流れるルートである。第2電流ルートR2は、水素極層21から金属板10に直接電流が流れるルートであり、従来のメタルサポート型の電解セルに存在するルートである。The second current route R2 is a route from the
このように、水素極層21から集電部30に電流が流れる第1電流ルートR1と、水素極層21から金属板10に電流が流れる第2電流ルートR2とが存在することによって、水素極層21の全体を利用して電流を流すことができる。よって、第2電流ルートR2に電流が集中することを抑制できるため、水素極層21のうち金属板10と接する領域が局所的に劣化することを抑制できる。In this way, the existence of the first current route R1 through which current flows from the
また、金属板10の基材14と水素極層21の間には酸化皮膜15が介挿されているため、第2電流ルートR2を流れる電流によって酸化皮膜15が発熱するところ、上述の通り第2電流ルートR2に電流が集中することを抑制できるため、酸化皮膜15の発熱を抑制できる。よって、水素極層21と金属板10の間で元素の相互拡散が生じることを抑制できるため、水素極層21のうち金属板10と接する領域が局所的に劣化することをより抑制できる。なお、第1電流ルートR1を流れる電流は、酸化皮膜15を通過しないため、酸化皮膜15の発熱による問題を生じさせない。In addition, since the
ここで、上述した通り、電気接続部材50は、集電部30及び流路部材40それぞれと金属-金属接続されているため、第1電流ルートR1の電気抵抗は小さく抑えられる。一方で、金属板10の基材14と水素極層21の間には酸化皮膜15が介挿されているため、第2電流ルートR2の電気抵抗は大きくなってしまう。従って、第1電流ルートR1の電気抵抗は、第2電流ルートR2の電気抵抗より小さい。そのため、電流は、第1電流ルートR1をメインルート、第2電流ルートR2をサブルートとして水素極層21から流路部材40に流れる。よって、酸化皮膜15の発熱を更に抑制できるため、水素極層21と金属板10の間で元素の相互拡散が生じることを更に抑制できる。その結果、水素極層21のうち金属板10と接する領域が局所的に劣化することを更に抑制できる。Here, as described above, the
(変形例)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
(Modification)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
[変形例1]
上記実施形態において、水素極層21はカソードとして機能し、酸素極層24はアノードとして機能することとしたが、水素極層21がアノードとして機能し、酸素極層24がカソードとして機能してもよい。具体的には、水素極層21と反応防止層23及び酸素極層24の位置を入れ替えるとともに、水素極層21の外表面に原料ガスを流す。この場合、酸素極層2が本発明に係る第1電極層となり、水素極層21が本発明に係る第2電極層となる。
[Modification 1]
In the above embodiment, the
[変形例2]
上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル1を挙げて説明したが、電気化学セルは電解セルに限られない。電気化学セルは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルは、酸化物イオン或いはプロトンをキャリアとする固体酸化物形燃料電池セル(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)であってもよい。この場合、燃料極(アノード)が本発明に係る第1電極層となり、空気極(カソード)が本発明に係る第2電極層となる。
[Modification 2]
In the above embodiment, the
[変形例3]
上記実施形態において、集電部30は、複数の第1部分31と層状の第2部分32とを有することとしたが、図3に示すように、集電部30は、第2部分32を有していなくてもよい。この場合、電気接続部材50は、集電部30の第1部分31と金属-金属接続される。
[Modification 3]
In the above embodiment, the current collecting
また、集電部30が第2部分32を有していない場合、図4に示すように、第1部分31は、連通孔13の第2主面12側の開口からガス流路41に突出していてもよい。
In addition, when the current collecting
さらに、集電部30が第2部分32を有していない場合、第1部分31は、連通孔13の全体に充填されていなくてもよい。例えば、図5に示すように、第1部分31は、連通孔13の第2主面12側の開口まで達していなくてもよい。或いは、図6に示すように、第1部分31は、連通孔13の内周面の少なくとも一部上において層状に配置されていてもよい。Furthermore, when the
[変形例4]
上記実施形態において、電気接続部材50は、流路部材40のうちインターコネクタ43に接続されることとしたが、これに限られない。
[Modification 4]
In the above embodiment, the
例えば、図7に示すように、電気接続部材50は、流路部材40のうち枠体42に接続されていてもよい。この場合、第1電流ルートR1は、水素極層21→集電部30→電気接続部材50→枠体42→接合部70→インターコネクタ43の順に電流が流れるルートとなる。電気接続部材50は、流路部材40の枠体42と金属-金属接続されていることが好ましい。なお、電気接続部材50は、流路部材40のうち枠体42及びインターコネクタ43の両方に接続されていてもよい。For example, as shown in Figure 7, the
また、図8に示すように、電気接続部材50は、金属板10に接続されていてもよい。この場合、第1電流ルートR1は、水素極層21→集電部30→電気接続部材50→金属板10→接合部60→枠体42→接合部70→インターコネクタ43の順に電流が流れるルートとなる。電気接続部材50は、金属板10と金属-金属接続されていることが好ましい。なお、電気接続部材50は、流路部材40及び金属板10の両方に接続されていてもよい。電気接続部材50は、流路部材40及び金属板10の少なくとも一方に接続されていればよい。8, the
1 電解セル
10 金属板
11 第1主面
12 第2主面
13 連通孔
14 基材
15 酸化皮膜
20 セル本体部
21 水素極層
22 電解質層
23 反応防止層
24 酸素極層
30 集電部
31 第1部分
32 第2部分
40 流路部材
41 ガス流路
42 枠体
43 インターコネクタ
50 電気接続部材
Claims (3)
前記金属板の前記第1主面上に形成される第1電極層と、第2電極層と、前記第1電極層及び前記第2電極層の間に配置される電解質層とを有するセル本体部と、
前記複数の連通孔内に配置され、前記第1電極層に接続される複数の第1部分を有する集電部と、
前記金属板の前記第2主面に接合され、前記金属板との間にガス流路を形成する導電性の流路部材と、
前記ガス流路に配置され、前記流路部材及び前記金属板の少なくとも一方と前記集電部とを電気的に接続する電気接続部材と、
を備え、
前記集電部及び前記電気接続部材を順に経由して、或いは、前記集電部、前記電気接続部材及び前記金属板を順に経由して前記第1電極層と前記流路部材の間を流れる第1電流ルートの電気抵抗は、前記金属板のみを経由して前記第1電極層と前記流路部材の間を流れる第2電流ルートの電気抵抗より小さい、
電気化学セル。 A metal plate having a first main surface, a second main surface, and a plurality of communication holes communicating with the first main surface and the second main surface;
a cell body portion including a first electrode layer formed on the first main surface of the metal plate, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer;
a current collecting portion having a plurality of first portions disposed in the plurality of communication holes and connected to the first electrode layer;
a conductive flow path member joined to the second main surface of the metal plate and forming a gas flow path between the metal plate and the conductive flow path member;
an electrical connection member disposed in the gas flow path and electrically connecting at least one of the flow path member and the metal plate to the current collecting portion;
Equipped with
an electrical resistance of a first current route through which a current flows between the first electrode layer and the flow path member by sequentially passing through the current collecting portion and the electrical connection member, or by sequentially passing through the current collecting portion, the electrical connection member, and the metal plate, is smaller than an electrical resistance of a second current route through which a current flows between the first electrode layer and the flow path member only by passing through the metal plate;
Electrochemical cell.
前記金属板の前記第1主面上に形成される第1電極層と、第2電極層と、前記第1電極層及び前記第2電極層の間に配置される電解質層とを有するセル本体部と、
前記複数の連通孔内に配置され、前記第1電極層に接続される複数の第1部分を有する集電部と、
前記金属板の前記第2主面に接合され、前記金属板との間にガス流路を形成する導電性の流路部材と、
前記ガス流路に配置され、前記流路部材及び前記金属板の少なくとも一方と前記集電部とを電気的に接続する電気接続部材と、
を備え、
前記電気接続部材は、前記集電部及び前記流路部材それぞれと金属-金属接続されており、
前記流路部材は、基材と、前記基材の表面を覆う酸化皮膜とを有し、
前記金属板は、基材と、前記基材の表面を覆う酸化皮膜とを有する、
電気化学セル。 A metal plate having a first main surface, a second main surface, and a plurality of communication holes communicating with the first main surface and the second main surface;
a cell body portion including a first electrode layer formed on the first main surface of the metal plate, a second electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the first electrode layer and the second electrode layer;
a current collecting portion having a plurality of first portions disposed in the plurality of communication holes and connected to the first electrode layer;
a conductive flow path member joined to the second main surface of the metal plate and forming a gas flow path between the metal plate and the conductive flow path member;
an electrical connection member disposed in the gas flow path and electrically connecting at least one of the flow path member and the metal plate to the current collecting portion;
Equipped with
the electrical connection member is connected to the current collecting portion and the flow path member by metal-metal connection,
The flow path member has a base material and an oxide film covering a surface of the base material,
The metal plate has a substrate and an oxide film covering a surface of the substrate.
Electrochemical cell.
請求項1又は2に記載の電気化学セル。 the current collecting portion is formed in a layer shape on the second main surface of the metal plate and has a second portion connected to the plurality of first portions;
3. An electrochemical cell according to claim 1 or 2.
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