JP7753364B2 - 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

Description

本開示は、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数備える燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の還元性ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる電気化学セルの一種である。

国際公開第２００９／１３１１８０号

実施形態の一態様に係る電気化学セルは、ガス透過部材と、金属部材と、導電部材とを備える。ガス透過部材は、導電性を有し、還元性ガスが透過する。金属部材は、クロムを含有し、ガス透過部材に接続される。導電部材は、多孔質であり、ガス透過部材と金属部材との間に位置する。導電部材は、金属粒子と、第一イオン化エネルギーおよび酸素１モル当たりの酸化物の生成自由エネルギーがクロムよりも小さい第１元素とを含有する。

また、本開示の電気化学セル装置は、上記に記載の電気化学セルを備えるセルスタックを有する。

また、本開示のモジュールは、上記に記載の電気化学セル装置と、電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。

また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、モジュールの運転を行うための補機と、モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備える。

図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。 図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。 図１Ｄは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す縦断面図である。 図２Ａは、インターコネクタおよび導電部材の構成例を示す断面図である。 図２Ｂは、インターコネクタおよび導電部材の構成例を示す断面図である。 図２Ｃは、インターコネクタおよび導電部材の構成例を示す断面図である。 図３Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。 図３Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。 図４は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。 図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。 図６は、第２の実施形態に係る電気化学セルを示す横断面図である。 図７は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。 図８は、図７に示す領域Ａの拡大図である。 図９Ａは、第３の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す断面図である。 図９Ｂは、第３の実施形態に係る電気化学セルの他の例を示す断面図である。 図９Ｃは、第３の実施形態に係る電気化学セルの他の例を示す断面図である。 図１０Ａは、図９Ａに示す領域Ｂの一例を示す拡大図である。 図１０Ｂは、図９Ａに示す領域Ｂの他の例を示す拡大図である。 図１１Ａは、第１面に凹部を有する金属部材を備えた電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａに示す金属部材を第１面側からみた平面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。

また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。

［第１の実施形態］
＜電気化学セルの構成＞
まず、図１Ａ～図１Ｄを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを備えるセルスタックを有していてもよい。複数の電気化学セルを備える電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。

図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図であり、図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図であり、図１Ｄは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す縦断面図である。なお、図１Ａ～図１Ｄは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。

図１Ａ～図１Ｄに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは１ｍｍ～５ｍｍである。

図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４と、導電部材９とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面である第１面ｎ１および第２面ｎ２と、かかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍとを有する柱状である。

素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１上に設けられている。かかる素子部３は、燃料極５と、固体電解質層６と、空気極８とを有している。また、図１Ａに示す例では、支持基板２の第２面ｎ２上に導電部材９が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極８との間に中間層７を備えていてもよい。

また、図１Ｂに示すように、空気極８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが第１面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。導電部材９は、セル１の上端および下端まで延びておらず、セル１の外部には露出していない。

以下、セル１を構成する各部材について説明する。

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａに流れる燃料ガスを燃料極５まで透過させる。支持基板２は導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、発電素子で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。

支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでもよい。

燃料極５の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。

固体電解質層６は、電解質であり、燃料極５と空気極８との間でイオンの受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。

固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６は、たとえば、Ｙｂ、ＳｃまたはＧｄが固溶したＺｒＯ_２を含んでもよく、Ｌａ、ＮｄまたはＹｂが固溶したＣｅＯ_２を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＺｒＯ_３を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＣｅＯ_３を含んでもよい。

空気極８は、ガス透過性を有している。空気極８の開気孔率は、たとえば２０％以上、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。

空気極８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物などの導電性セラミックスであってもよい。

空気極８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏ_ｙＦｅ_１－ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏＯ_３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。

また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。空気極８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）などの元素が固体電解質層６に拡散すると、かかる固体電解質層６にたとえばＳｒＺｒＯ_３などの抵抗層が形成される。中間層７は、Ｓｒの拡散を抑制し、ＳｒＺｒＯ_３その他の電気絶縁性を有する酸化物が形成されにくくする。

中間層７の材料は、一般的に空気極８と固体電解質層６との間の元素の拡散抑制層に用いられるものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含む。かかる希土類元素としては、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などが用いられる。

導電部材９は、インターコネクタ４と支持基板２との間に位置している。導電部材９は、導電性を有する。導電部材９の導電率は、たとえば１×１０^２Ｓ／ｍ～１×１０^７Ｓ／ｍの範囲であってもよい。

また、導電部材９は、第１元素を含有する。導電部材９は、たとえば、Ｃｅを含有する。第１元素は、第一イオン化エネルギーおよび酸素１モル当たりの酸化物の生成自由エネルギーがクロムよりも小さい。第１元素としては、Ｃｅの他、たとえばＥｕ、Ｐｒ、およびＺｒなどが挙げられる。生成自由エネルギーは、生成ギブズエネルギーともいう。生成自由エネルギーは、たとえば「核燃料・原子力材料熱力学データベース」などの熱力学データベースで確認できる。第１元素は、かかる元素の酸化物として導電部材９中に位置してもよい。かかる第１元素の酸化物としては、たとえば、ＣｅＯ_２、ＥｕＯ、ＰｒＯ_２、ＺｒＯ_２が該当する。以下、第１元素の酸化物を第１酸化物という。

導電部材９は、たとえば、第１元素のうち、１以上を含有してもよい。導電部材９は、第１元素以外の元素を含んでいてもよい。導電部材９は、たとえばＧｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）等が固溶したＣｅＯ_２を含有してもよいし、Ｙ（イットリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等が固溶したＺｒＯ_２、いわゆる安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアを含有してもよい。また、導電部材９は、たとえばＣｅ_２Ｔｉ_２Ｏ_７などの第１元素を含む複合酸化物を含有してもよい。

また、導電部材９は、金属粒子を含んでいる。金属粒子は、たとえば金属または合金の粒子等である。金属粒子は、たとえばＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＴｉ等の金属または合金を含んでもよい。Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＴｉ等の金属または合金は、高い導電率を有する。これらの金属または合金は、高い導電性を有しており、素子部３で発電された電気が、インターコネクタ４で集電しやすくなる。特に金属Ｎｉは高い導電性を有しており、高温の反応雰囲気中でも導電性を維持できる。また、Ｎｉは支持基板２に含まれており、インターコネクタ４と支持基板２との接合性を高めることができる。

導電部材９は、第１酸化物以外の無機酸化物を含んでもよい。導電部材９に含まれる無機酸化物としては、たとえばＮｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａ等の酸化物または複合酸化物、ならびにＹ、Ｙｂ、Ｇｄ等の希土類酸化物が挙げられる。導電部材９は、たとえば酸化チタン、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などの希土類酸化物、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物、またはＹ_２Ｔｉ_２Ｏ_７などの複合酸化物を含んでもよい。

ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物は、たとえばランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）などを含んでもよい。これらのペロブスカイト型酸化物は、導電性を有するとともに、水素含有ガスなどの燃料ガス、および空気等の酸素含有ガスと接触しても、還元も酸化もされにくい。

導電部材９は、導電部材９の合計の体積に対し、金属粒子を２０体積％～７０体積％、第１酸化物および無機酸化物を合わせて３０体積％～８０体積％含んでもよい。導電部材９の合計の体積とは、金属粒子、第１酸化物および無機酸化物の合計の体積である。第１酸化物は、導電部材９の合計の体積に対し０．１体積％～４０体積％であってもよく、さらに０．５体積％～３０体積％であってもよい。

また、導電部材９は、多孔質であり、開気孔率は、たとえば２０％～６０％の範囲であってもよい。

また、導電部材９の熱膨張係数は、たとえば、１０×１０^－６／℃～１２×１０^－６／℃の範囲とすることができる。これにより、導電部材９の熱膨脹係数が、たとえば導電部材９と接するインターコネクタ４および支持基板２の熱膨張係数と近くなり、インターコネクタ４が支持基板２から長期にわたり剥離しにくくなる。

また、導電部材９の厚みは、接着性および均一性の観点から、たとえば、１０μｍ～２００μｍの範囲とすることができる。

また、インターコネクタ４は、緻密質の金属部材であり、支持基板２の内部のガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、ガス流路２ａを有する支持基板２に、導電部材９によって固定されている。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。

インターコネクタ４は、クロムを含有する。インターコネクタ４は、たとえば、ステンレス鋼である。インターコネクタ４は、たとえば、金属酸化物を含有してもよい。

ここで、金属部材であるインターコネクタ４および導電部材９につき、図２Ａ～図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ～図２Ｃは、インターコネクタおよび導電部材の構成例を示す断面図である。

図２Ａに示すように、インターコネクタ４は、第１層４１と、第２層４２とを有してもよい。第２層４２は、たとえば、クロムの含有率が第１層４１よりも大きくてもよい。第２層４２は、たとえば、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を含有する。このようにインターコネクタ４が第２層４２を有することにより、インターコネクタ４の耐久性が高まる。なお、インターコネクタ４は、部分的に第２層４２を有してもよいし、第２層４２を有さなくてもよい。また、図２Ａに示すように、第２層４２は導電部材９から離れて位置してもよく、導電部材９に接していてもよい。

インターコネクタ４の導電部材９に接する面は、ガス流路２ａから支持基板２および導電部材９を透過した燃料ガスに接する。燃料ガスは還元性を有する還元性ガスであり、通常はインターコネクタ４の導電部材９に接する面において第２層４２は成長しにくい。しかし、燃料ガスは後述のように水蒸気を含む場合が多い。インターコネクタ４の導電部材９に接する面においても、燃料ガスに含まれる水蒸気の作用により第２層４２が成長し、セル１の内部抵抗が増大する場合がある。

上述したように、インターコネクタ４に接する導電部材９は、第１元素を含有する。これにより、第２層４２が成長しにくくなることから、インターコネクタ４は、第２層４２の成長に伴う内部抵抗の増大を生じにくくすることができる。これにより、セル１の電池性能の低下を低減することができる。また、第２層４２の成長に伴う、第１層４１が含有するクロム比率の減少を生じにくくすることができる。このため、インターコネクタ４の耐久性が向上することから、セル１の耐久性を向上することができる。

第１元素を含まない導電部材９を用いて支持基板２とインターコネクタ４を接着し、燃料電池の運転温度で使用すると、インターコネクタ４の導電部材９に接する面における第２層４２の厚みが数μｍ程度、たとえば４μｍとなる。一方、第１元素、例えばＣｅＯ_２を含む導電部材９を用いて燃料電池の運転温度で使用すると、第２層４２の厚みは第１元素を含まない導電部材を用いた場合よりも小さくなる。たとえば、導電部材９が１体積％のＣｅＯ_２を含む場合の第２層４２の厚みは約３μｍとなり、３０体積％のＣｅＯ_２を含む場合の第２層４２の厚みは１μｍ以下となる。Ｃｒ_２Ｏ_３の導電率は概ね１Ｓ／ｍ～４Ｓ／ｍである。

たとえば金属粒子としてＮｉを５０体積％、および無機酸化物粒子としてＴｉＯ_２（酸化チタン）を５０体積％含む導電部材９の導電率は４×１０^５Ｓ／ｍとなる。Ｎｉを３５体積％、ＴｉＯ_２（酸化チタン）を３５体積％、および第１酸化物としてＣｅＯ_２（酸化セリウム）を３０体積％含む導電部材９の導電率は、７×１０^２Ｓ／ｍとなる。第１元素により第２層４２が薄くなることで、第１元素を含む導電部材９を用いたセルの内部抵抗は、第１元素を含まない導電部材９を用いたセルの内部抵抗よりも小さくなる。

また、インターコネクタ４は、さらなる積層構造を有してもよい。図２Ｂに示すように、インターコネクタ４は、コート層４３をさらに有してもよい。

コート層４３は、基材である第１層４１および第２層４２とは異なる元素を含んでいる。コート層４３は、表面が酸化雰囲気に露出している。これにより、たとえば、インターコネクタ４が含有するクロムの放出を低減することができる。このため、インターコネクタ４の耐久性が向上することから、セル１の耐久性を向上することができる。

また、コート層４３は、たとえば、Ｍｎ（マンガン）およびＣｏ（コバルト）を含む酸化物を含有してもよい。以下、ＭｎおよびＣｏを含む酸化物を第２酸化物という。第２酸化物は電子伝導性を有する。第２酸化物は、Ｃｒ_２Ｏ_３および第１酸化物よりも高い導電性を有する。第２酸化物は、たとえばＣｒ_２Ｏ_３よりも１００倍高い導電率を有していてもよい。第２酸化物に含まれるＭｎのモル比率は、Ｃｏのモル比率より大きくてもよい。コート層４３は、たとえば、Ｍｎ、ＣｏおよびＯのモル比が１．６６：１．３４：４である第２酸化物を含有してもよい。このような組成を有する第２酸化物を含有することにより、たとえば、Ｍｎ、ＣｏおよびＯのモル比が１．５：１．５：４である第２酸化物を含有するコート層４３を有する場合と比較してインターコネクタ４の耐久性を高くすることができる。なお、Ｍｎ、ＣｏおよびＯのモル比は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いた結晶相の同定に基づいて算出することができる。また、第２酸化物はＭｎおよびＣｏ以外の元素、たとえばＺｎ（亜鉛）、Ｆｅ（鉄）、Ａｌ（アルミニウム）を含有してもよい。コート層４３は、第１元素を含有しなくてもよいし、含有してもよい。

また、コート層４３は、多孔質であってもよい。コート層４３は、たとえば、気孔率が５％以上４０％以下であってもよい。このようにインターコネクタ４が多孔質のコート層４３を有することにより、インターコネクタ４が外部から受ける応力を緩和することができる。このため、インターコネクタ４の耐久性が向上することから、セル１の耐久性を向上することができる。

また、導電部材９は、積層構造を有してもよい。図２Ｃに示すように、導電部材９は、第１層９１および第２層９２を有してもよい。

第１層９１は、インターコネクタ４に接している。第２層９２は、支持基板２に接している。第１層９１および第２層９２は、組成が異なる。第１層９１は、第１元素を含有する。第１元素を含有する第１層９１がインターコネクタ４に接していることにより、インターコネクタ４の第２層４２がさらに成長しにくくなることから、インターコネクタ４は、第２層４２の成長に伴う内部抵抗の増大がさらに生じにくくなる。これにより、セル１の電池性能の低下をさらに低減することができる。

第２層９２は、第１元素を含有してもよく、含有しなくてもよい。第１元素を含有する場合、第１元素の含有率は、第１層９１よりも小さくてもよい。

また、図２Ｃに示すように、第１層９１は、インターコネクタ４に接していてもよく、インターコネクタ４から離れていてもよい。第１層９１がインターコネクタ４から離れている場合、第１層９１は、支持基板２よりもインターコネクタ４に近いインターコネクタ４側に位置していればよい。これにより、インターコネクタ４の第２層４２が成長しにくくなることから、インターコネクタ４は、第２層４２の成長に伴う内部抵抗の増大がさらに生じにくくなる。これにより、セル１の電池性能の低下を低減することができる。

＜セルスタック装置の構成＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図３Ａ～図３Ｃを参照しながら説明する。図３Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図であり、図３Ｂは、図３Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図３Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。

図３Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。

固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、たとえば金属製である。

図３Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。

ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。

図３Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図４参照）で生成される。

水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。

図３Ａに示す例では、セルスタック装置１０は、２列のセルスタック１１、２つの支持体１５およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１はそれぞれ、複数のセル１を有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。

挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。

図３Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部は、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。

固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。

結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ_２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＭｇＯ系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ_２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。

また、図３Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、接続部材１８が介在している。接続部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極５と他方のセル１の空気極８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、接続部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極８とを接続している。

また、図３Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図３Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。

また、図３Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。

正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。

接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。

＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本開示の実施形態に係るモジュール１００について、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図であり、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

図４に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器１０１内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。

かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。

そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。

また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００℃～１０００℃程度となる。

このようなモジュール１００においては、上述したように、電池性能が向上されるセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、電池性能が向上されるモジュール１００とすることができる。

＜モジュール収容装置＞
図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図４で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図５においては一部構成を省略して示している。

図５に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図５では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。

また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。

このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、電池性能が向上されるモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、電池性能が向上されるモジュール収容装置１１０とすることができる。

なお、上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。

［第２の実施形態］
つづいて、第２の実施形態に係る電気化学セルおよび電気化学セル装置について、図６～図８を参照しながら説明する。

上述の実施形態では、支持基板の表面に燃料極、固体電解質層および空気極を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」の電気化学セルを配列した横縞型電気化学セル装置に適用することができる。

図６は、第２の実施形態に係る電気化学セルを示す横断面図であり、図７は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図であり、図８は、図７に示す領域Ａの拡大図である。

図６に示すように、第２の実施形態に係るセル１Ａは、支持基板２と、一対の素子部３と、封止部３０とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面である第１面ｎ１および第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。

一対の素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１および第２面ｎ２上に、互いに対向するように位置している。また、封止部３０は、支持基板２の側面ｍを覆うように位置している。

また、図７に示すように、セルスタック装置１０Ａは、燃料ガスを流通させる配管２２ａから複数のセル１Ａが長さ方向Ｌに延びている。セル１Ａは、支持基板２上に複数の素子部３を有している。支持基板２の内部には、配管２２ａからの燃料ガスが流れるガス流路２ａが設けられている。

また、各セル１Ａは、接続部材３１を介して互いに電気的に接続されている。接続部材３１は、各セル１Ａがそれぞれ有する素子部３の間に位置しており、隣り合うセル１Ａを接続している。具体的には、接続部材３１は、隣り合うセル１Ａのうち一方のセル１Ａの素子部３の空気極８と、他方のセル１Ａの燃料極５と、導電部材９を用いて電気的に接合されたインターコネクタ４とを接続している。

また、図８に示すように、インターコネクタ４は、長さ方向Ｌに隣り合う素子部３同士を接続するように位置している。導電部材９は、インターコネクタ４と支持基板２との間に位置している。

このように、導電部材９を用いてインターコネクタ４と支持基板２とが接着されることにより、支持基板２からのインターコネクタ４の剥離が生じにくくなることから、セル１Ａの耐久性が向上する。これにより、セルスタック装置１０Ａの電池性能が向上する。

［第３の実施形態］
図９Ａは、第３の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す断面図である。図９Ｂ、図９Ｃは、第３の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す断面図である。セル１Ｂは、対向する一対の第１面ｎ１および第２面ｎ２を有する金属製の支持基板２および流路部材３２を有する金属支持体と、素子部３と、を備えている。素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１上に配置され、燃料極５、固体電解質層６、および空気極８を有している。燃料極５は、支持基板２の第１面ｎ１上に位置しており、固体電解質層６は燃料極５上に位置しており、空気極８は固体電解質層６上に位置している。素子部３は、固体電解質層６と空気極８の間に中間層を有していてもよい。

金属支持体は、支持基板２の素子部３が配置された第１面ｎ１とは反対側の第２面ｎ２と、流路部材３２とにより形成されるガス流路２ａを有している。

金属部材である支持基板２は、ガス流路２ａを流れるガスを燃料極５に透過させるガス透過性を有している。流路部材３２は、ガス流路２ａとセル１Ｂの外部との間で気体を流通させない、すなわち燃料ガスと空気などの酸素含有ガスとが混合しないように、ガス遮断性を有している。図９Ａの例では、支持基板２とＵ字型の断面を有する流路部材３２により、ガス流路２ａが形成されている。

支持基板２および流路部材３２は、たとえば、１または複数の金属板で構成されてもよい。金属板の材料は、クロムを含有していてもよい。金属板は、導電性の被覆層を有していてもよい。支持基板２および流路部材３２は、隣接するセル１Ｂ同士を電気的に接続する。

図９Ａに示す例では、燃料極５の側面は固体電解質層６により被覆され、燃料ガスが流れるガス流路２ａを気密に封止している。図９Ｂに示すように、燃料極５の側面は緻密な封止材３３で被覆され、封止されていてもよい。燃料極５の側面を被覆する封止材３３は、電気絶縁性を有していてもよい。封止材３３の材料は、たとえば、ガラスまたはセラミックスであってもよい。

また、図９Ｃに示すように、ガス流路２ａは、凹凸を有する流路部材３２により形成されていてもよい。

図１０Ａは、図９Ａに示す領域Ｂの一例を示す拡大図であり、図１０Ｂは、図９Ａに示す領域Ｂの他の例を示す拡大図である。図１０Ａおよび図１０Ｂでは、導電部材９が金属部材である支持基板２と燃料極５とを電気的に接続している。導電部材９の厚みｔ１は、たとえば、１０μｍ～２００μｍの範囲とすることができる。

支持基板２は、例えば３０％以上、特に３５％～５０％の範囲の開気孔率を有する平板の多孔質体であってもよい。また、支持基板２は、図１０Ｂに示すように、支持基板２を厚さ方向に貫通する複数の貫通孔２ｂを有する緻密な板であってもよい。支持基板２がこのような開気孔率、または貫通孔２ｂを有することで、ガス流路２ａに供給された燃料ガスが、燃料極５まで到達できる。

金属部材である支持基板２は、第１面ｎ１および第２面ｎ２の少なくともいずれかに凹部または凸部を有していてもよい。図１１Ａは、第１面に凹部を有する金属部材を備えた電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示す金属部材の第１面側からみた平面図である。図１１Ａに示すように、金属部材である支持基板２は、第１面ｎ１に凹部２ｃを有している。このように、支持基板２が第１面ｎ１に凹部２ｃを有する場合、凹部２ｃは燃料極５と接していなくてもよい。すなわち、セル１Ｂは、支持基板２の第１面ｎ１に位置する凹部２ｃと燃料極５との間に空隙を有していてもよい。この場合、第１面ｎ１の凹部２ｃと燃料極５との間の空隙がガス流路２ａであってもよい。

図１１Ａに示すセル１Ｂでは、金属部材である支持基板２が、流路部材３２（図９Ａ参照）を兼ねており、支持基板２は第１面ｎ１と第２面ｎ２との間でガス透過性を有していなくてもよい。図１１Ａに示すセル１Ｂも、第１面ｎ１と燃料極５との間に導電部材９を有している。図１１Ａに示すように、導電部材９は、凹部２ｃを有さない第１面ｎ１と燃料極５との間に位置している。また、導電部材９は、燃料極５と向かい合う第１面ｎ１の全面にわたり第１面ｎ１と燃料極５との間に位置してもよい。かかる場合、凹部２ｃと燃料極５との間に位置する導電部材９は、支持基板２から離れて位置するように燃料極５に接していてもよく、燃料極５から離れて位置するように支持基板２の凹部２ｃに接していてもよい。

支持基板２は、クロムを含有する金属部材であり、たとえばステンレス鋼である。支持基板２は、上述の金属部材であるインターコネクタ４の第２層４２のように、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を含有する第２層を有してもよい。支持基板２に接する導電部材９は、第１元素を含有する。これにより、第２層が成長しにくくなることから、支持基板２は、第２層の成長に伴う内部抵抗の増大が生じにくくなる。これにより、セル１Ｂの電池性能の低下を低減することができる。このように、導電部材９を用いて金属部材である支持基板２と燃料極５とが接着されることにより、支持基板２と燃料極５との剥離が生じにくくなることから、セル１Ｂの耐久性が向上する。

＜その他の変形例＞
つづいて、実施形態のその他の変形例について説明する。

上記実施形態では、「電気化学セル」、「電気化学セル装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。電解セルは、水素極および酸素極を有し、電力の供給により水蒸気を水素と酸素に分解する。また、上記実施形態では電気化学セルの電解質材料の一例として酸化物イオン伝導体または水素イオン伝導体を示したが、電解質材料は水酸化物イオン伝導体であってもよい。

また、上記実施形態では、導電部材９はインターコネクタ４と支持基板２との間に位置し、インターコネクタ４と支持基板２とを接着すると説明したが、他の例としては導電部材９がインターコネクタ４と燃料極５との間に位置し、インターコネクタ４と燃料極５とを接着してもよい。支持基板２および燃料極５は、導電性を有し、燃料ガスが透過するガス透過部材である点で共通する。

また、酸化雰囲気に導電部材９が露出しにくいように、たとえば導電部材９の端部にガラスなどのガスシール部材が位置してもよい。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

以上のように、実施形態に係る電気化学セル（セル１）は、導電性を有し、還元性ガスが透過するガス透過部材（支持基板２または燃料極５）と、クロムを含有し、ガス透過部材に接続される金属部材（インターコネクタ４）と、ガス透過部材と金属部材との間に位置する導電部材９とを備える。導電部材９は、多孔質であり、金属粒子と、第一イオン化エネルギーおよび酸素１モル当たりの酸化物の生成自由エネルギーがクロムよりも小さい第１元素とを含有する。これにより、電池性能が向上する。

また、実施形態に係る導電部材９は、金属部材側に位置し、第１元素を含有する第１層９１を有する。これにより、電池性能が向上する。

また、実施形態に係る金属粒子は、Ｎｉ（ニッケル）を含む。これにより、電池性能が向上する。

また、実施形態に係る第１元素は、Ｃｅ（セリウム）を含む。これにより、電池性能が向上する。

また、実施形態に係る導電部材９が、さらに酸化チタンを含む。これにより、電池性能が向上する。

また、実施形態に係る金属部材は、導電部材９に面する基材と、基材を覆い、酸化雰囲気に露出するコート層４３とを有する。これにより、電池性能が向上する。

また、実施形態に係る電気化学セル装置（セルスタック装置１０）は、上記に記載の電気化学セル（セル１）を備えるセルスタック１１を有する。これにより、電池性能を向上することができる電気化学セル装置とすることができる。

また、実施形態に係るモジュール１００は、上記に記載の電気化学セル装置（セルスタック装置１０）と、電気化学セル装置（セルスタック装置１０）を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、電池性能を向上することができるモジュール１００とすることができる。

また、実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケースとを備える。これにより、電池性能を向上することができるモジュール収容装置１１０とすることができる。

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ セル
２ 支持基板
３ 素子部
４ インターコネクタ
５ 燃料極
６ 固体電解質層
７ 中間層
８ 空気極
９ 導電部材
１０ セルスタック装置
１１ セルスタック
１２ 固定部材
１３ 固定材
１４ 支持部材
１５ 支持体
１６ ガスタンク
１７ 端部集電部材
１８ 接続部材
１００ モジュール
１１０ モジュール収容装置

Claims (10)

1. 導電性を有し、還元性ガスが透過するガス透過部材と、
   クロムを含有し、前記ガス透過部材に接続される金属部材と、
   前記ガス透過部材と前記金属部材との間に位置する多孔質の導電部材と
   を備え、
   前記導電部材は、金属粒子と、第一イオン化エネルギーおよび酸素１モル当たりの酸化物の生成自由エネルギーがクロムよりも小さい第１元素とを含有する電気化学セル。
2. 前記導電部材は、前記金属部材側に位置し、前記第１元素を含有する第１層を有する
   請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記金属粒子は、Ｎｉ（ニッケル）を含む
   請求項１に記載の電気化学セル。
4. 前記第１元素は、Ｃｅ（セリウム）を含む
   請求項１に記載の電気化学セル。
5. 前記導電部材が、さらに酸化チタンを含む
   請求項１に記載の電気化学セル。
6. 前記金属部材は、前記導電部材に面する基材と、前記基材を覆い、酸化雰囲気に露出するコート層とを有する
   請求項１に記載の電気化学セル。
7. 請求項１～６のいずれか１つに記載の電気化学セルを備えるセルスタックを有する
   電気化学セル装置。
8. 前記金属部材は、隣り合う素子部同士を電気的に接続するインターコネクタである
   請求項７に記載の電気化学セル装置。
9. 請求項７に記載の電気化学セル装置と、
   前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
   を備えるモジュール。
10. 請求項９に記載のモジュールと、
    前記モジュールの運転を行うための補機と、
    前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
    を備えるモジュール収容装置。