JP4767406B2

JP4767406B2 - 電気化学装置および集積電気化学装置

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Publication number: JP4767406B2
Application number: JP2000377743A
Authority: JP
Inventors: 素一郎松沢; 真司川崎; 清志奥村; 崇龍
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2020-12-12
Also published as: JP2001273914A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学セルを複数備えた一体型の電気化学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
「燃料電池発電」（電気学会、燃料電池の運転性調査専門委員会編）コロナ社、第７７頁には、多孔質基体上に複数の固体電解質型燃料電池の単電池を形成することが記載されている。即ち、多孔質基体の表面上に、微細な空気極、固体電解質膜、燃料極を順次形成することで各単電池を形成する。この際、多孔質基体上に多数の単電池を形成する。そして、隣接する単電池の燃料極と空気極との間にインターコネクター膜をそれぞれ形成し、隣接する単電池を電気的に直列接続する。そして、多孔質基体を酸化性ガスが透過し、多孔質基体に接触している空気極内を拡散する。この一方、燃料ガスは燃料極を透過し、発電に寄与する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした集合電池は、小さい体積内に多数の発電素子を集積し、単位空間当たりの発電量を向上させ得るものであり、このため優れた設計思想として認知されてきた。
【０００４】
しかし、本発明者が更に検討を加えてみると、実際には以下の困難な問題があった。即ち、例えば酸化性ガスは、いったん多孔質基板を通過し、その後で、多孔質基板に接触する空気極内を拡散する必要がある。しかし、多孔質基板は、集合電池の全体の構造強度を保持する部分であり、このためにある程度の厚さと緻密性とが必要である。ところが、多孔質基板が厚くなり、あるいは気孔率を低下させると、多孔質基板中を酸化性ガスが透過しにくくなり、このために多孔質基板に接触する空気極内まで拡散しにくく、利用効率が低くなる。
【０００５】
また、隣接する電気化学セルは、多孔質基板上に成膜されたインターコネクター膜によって接続する必要がある。従って、インターコネクターは、燃料ガスに曝露されると共に、多孔質基板を拡散してくる酸化性ガスに対しても必然的に曝露される。この曝露時の温度は例えば１０００℃である。このため、インターコネクターの材質は、高い導電性、高温における酸化ガスへの安定性、および高温における燃料ガスへの安定性という３つの条件を備えていなければならないが、実際にはこうした材質はほとんど知られていない。この結果、隣接する単電池間の接続に伴う抵抗が大きくなったり、あるいは長期間運転すると、インターコネクターの材質の劣化によって単電池間の接続抵抗が増大したりする。
【０００６】
本発明の課題は、複数の電気化学セルを電気的に接続してなる構造の電気化学装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減らすことができるようにし、かつ、隣接する電気化学セルの接続部分の材質の劣化を抑制できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体電解質層と、この固体電解質層上に設けられた複数の第一の電極と、固体電解質層上に設けられた複数の第二の電極とを備えており、第一の電極と第二の電極とによって複数の電気化学セルが構成されている電気化学装置であって、固体電解質層を貫通する少なくとも一つのスルーホール導電体を備えており、隣接する少なくとも二つの電気化学セルがスルーホール導電体を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００８】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を説明する。
【０００９】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電気化学装置５を示す断面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の装置５を第一の電極１６側から見た平面図である。
【００１０】
図１の装置５には、複数個、例えば４個の電気化学セル１５が設けられており、各セル１５は互いに直列接続されている。即ち、固体電解質層９は、本例では平面的に見て長方形の平板形状をしている。固体電解質層９の一方の面９ｃ上には第一の電極１６が例えば４個形成されており、他方の面９ｄ上には第二の電極１７が例えば４個形成されている。各第一の電極１６は、それぞれ対応する第二の電極１７と電気化学セル１５を構成している。Ｂは、電気化学装置５の主要な作用領域である。
【００１１】
隣接する第一の電極１６の間には細長い隙間２３が形成されており、隣接するセルの電極１６間を絶縁している。また、隣接する第二の電極１７の間には細長い隙間２４が形成されており、隣接するセルの電極１７間を絶縁している。各電極１６の端部は、隣接するセルの電極１７の端部に対して、固体電解質層９を挟んで対向している。固体電解質層９内には、前記した端部の対向領域においてスルーホール導電体２２が設けられている。各スルーホール導電体２２によって、隣接する電気化学セル１５の電極１６と１７とが直列に接続されている。
【００１２】
こうした電気化学装置によれば、１枚の基板上に複数の電気化学セルを設けた装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減らすことができる。なぜなら、固体電解質層それ自体を、全体を支持する基板として使用し、別体の多孔質基板を必要としないからである。また、スルーホール導電体２２の側周面は固体電解質層９によって被覆されており、従って酸化性ガスや燃料ガスには曝露されないので、スルーホール導電体の材質の劣化も生じにくい。むろん、スルーホール導電体２２の図１において上側端面と下側端面のみは、電極１６、１７を介して拡散してきた外部のガスに対して接触する。しかし、これは電極を拡散透過してきた後のガスなので、ガス中の酸素や燃料の濃度は低く、ガスの絶対量も少ないので、スルーホール導電体の劣化の度合いは少ない。
【００１３】
なお、図１の例では、隣接するセル１５を直列接続した。このように、一枚の固体電解質層において複数の電気化学セルを直列接続することで、例えば取り出し電圧を増大させることができ、その分電流値を低減させることができる。電流値が減少すると、それだけ装置内部における電流損失を低減できる。
【００１４】
特に好適な実施形態においては、固体電解質層中において隣接するセルを直列接続する。しかし、隣接するセルを並列接続することも可能である。
【００１５】
好適な実施形態においては、固体電解質層の一方の面上に複数の第一の電極が設けられており、固体電解質層の他方の面上に複数の第二の電極が設けられている。
【００１６】
また、好適な実施形態においては、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部とが、固体電解質層を挟んで対向する位置に設けられており、第一の電極の端部と第二の電極の端部とが、スルーホール導電体によって電気的に接続されている。ここで、第一の電極の端部と第二の電極の端部とが固体電解質層を挟んで対向する位置に設けられているとは、固体電解質層に対して垂直な方向Ｘ（図１（ａ）参照）から見て重複する位置にあることを意味している。この場合には、この重複領域内にスルーホール導電体を設けることによって、第一の電極の端部と第二の電極の端部とを容易に接続できる。
【００１７】
本発明の電気化学装置は、固体電解質型燃料電池の他、酸素ポンプや高温水蒸気電解セルとして使用できる。このセルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。更に、本発明の装置を、ＮＯｘ、炭化水素、一酸化炭素の各分解セルとして使用できる。
【００１８】
第一のガスと第二のガスは、同じであっても、異なっていてもよい。その種類は、酸化性ガス、還元性ガス、不活性ガスなどがあり、用途によって好ましい実施形態がある。
【００１９】
燃料電池の場合には、第一のガスが酸化性ガスであり、第二のガスが還元性ガスである。酸化性ガスとしては、空気や酸素などがある。また、還元性ガスとしては、水素やメタン、一酸化炭素などを含むガスを例示できる。燃料電池では、第一の電極が電位が高く、陽極であり、第二の電極は電位が低く、陰極である。この場合の第一の電極はカソード、第二の電極はアノードの働きをする。
【００２０】
更に、酸素ポンプの場合には、第一、第二のガスは酸化性であっても、還元性ガスであってもよい。たとえば、第一のガスは空気や酸素であり、第二のガスが酸素を注入される側のプロセスガスであり、不活性ガスなどを例示できる。この場合、第一の電極は陰極でカソードとして働き、また、第二の電極は陽極でアノードとして働く。
【００２１】
また、ＮＯｘ分解装置や水蒸気除去装置の場合、第一のガスは、不活性ガスや空気である。第二のガスは、ＮＯｘや水蒸気を含むプロセスガスであり、各種内燃機関の排ガスの他、不活性ガスや水素、メタンである。この場合、第一の電極は陰極でカソードとして働き、また、第二の電極は陽極でアノードとして働く。
【００２２】
固体電解質層の材質は、イットリア安定化ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア、酸化セリウム系セラミックスの他、ランタンガレート、スカンジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニアを例示できる。
【００２３】
陽極の主原料は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。
【００２４】
陰極の主原料は、ニッケル、酸化ニッケル、ニッケル─ジルコニア混合粉末、酸化ニッケル─ジルコニア混合粉末、パラジウム、白金、パラジウム−ジルコニア混合粉末、白金─ジルコニア混合粉末、ニッケル−セリア、酸化ニッケル−セリア、パラジウム−セリア、白金−セリアの各混合粉末等が好ましい。
【００２５】
スルーホール導電体の材質は、鉄、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウム、珪素、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、モリブデン、タングステンなどの金属、ランタンクロマイト、ランタンコバルタイト、ランタンマンガナイトなどの導電性セラミックス、前記した金属とセラミックスとの複合材料、前記した導電性セラミックスとセラミックスとの複合材料が好ましい。
【００２６】
また、本発明は、前記の電気化学装置を複数積層して構成した集積電気化学装置を提供するものである。
【００２７】
好適な実施形態においては、集積電気化学装置は、前記の電気化学装置を複数備えている。そして、セラミックスからなる周壁部および周壁部内に埋設されている周壁部内スルーホール導電体を備えており、周壁部の内側に第一のガス通路と第二のガス通路とが形成されており、複数の固体電解質層が周壁部の内側に設けられており、第一の電極が第一のガス通路に面しており、第二の電極が第二のガス通路に面している。
【００２８】
図２−図４は、この実施形態に係るものである。図２は、集積電気化学装置３０の各層を示す分解斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２９】
図３、図４の例では、例えば５列の電気化学装置５Ａ−５Ｅを積層し、集積電気化学装置内に組み込んである。図２においては、紙面の制約から、装置の上端から固体電解質層９Ｄまでの各部分を分解斜視図として示す。
【００３０】
装置３０は、複数の電気化学装置９Ａ−９Ｅを備えた機能部１３と、機能部１３を包囲する周壁部１２とからなる。装置３０の全体は、例えばグリーンシート積層法によって作製されている。即ち、末端層１Ａと末端層１Ｂとの間に、セパレータ層８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ、８Ｆと、電気化学装置９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅとが、交互に積層されている。各セパレータ層８Ａ−８Ｆには、それぞれ図２に示すような平面形状の中空部が形成されており、これによって第一のガス通路３および第二のガス通路４が形成されている。
【００３１】
各電気化学装置９Ａ−９Ｅは、図１を参照しつつ説明した装置と同様である。ただし、１５Ａ、１５Ｂは電気化学セルであり、１６Ａ、１６Ｂは第一の電極であり、１７Ａ、１７Ｂは第二の電極である。なお、図２においては、固体電解質層上の各電極は図示していない。
【００３２】
本例では、装置３０内において、第一のガス通路３と第二のガス通路４とが交互に設けられている。
【００３３】
周壁部スルーホール導電体２Ａは、末端層１Ａ、セパレータ層８Ａ、固体電解質層９Ａを貫通している。導電体２Ｂは、固体電解質層９Ａおよびセパレータ層８Ｂを貫通している。導電体２Ｃは、セパレータ層８Ｃおよび固体電解質層９Ｃを貫通している。導電体２Ｄは、固体電解質層９Ｃおよびセパレータ層８Ｄを貫通している。導電体２Ｅは、セパレータ層８Ｅおよび固体電解質層９Ｅを貫通している。導電体２Ｆは、固体電解質層９Ｅ、セパレータ層８Ｆおよび末端層１Ｂを貫通している。なお、本例では、導電体内の電気抵抗を削減するために、図２に示すように、各層において各導電体を２箇所ずつ設けてある。しかし、各導電体の個数や形状は限定されない。
【００３４】
電気化学装置５Ａの末端のセル１５Ａの電極１７Ｂは周壁部スルーホール導電体２Ａに接続されている。また、電気化学装置５Ａの他端のセル１５Ａの電極１６Ｂは、周壁部１２内にまで延びており、スルーホール導電体２Ｂに接続されている。同様に、電気化学装置５Ｂの末端のセル１５Ｂの電極１７Ｂはスルーホール導電体２Ｂに接続されており、他端のセル１５Ｂの電極１６Ｂは、周壁部１２内にまで延びており、スルーホール導電体２Ｃに接続されている。同様に、電気化学装置５Ｃの末端のセル１５Ａの電極１７Ｂはスルーホール導電体２Ｃに接続されており、他端のセル１５Ａの電極１６Ｂは、周壁部１２内にまで延びており、スルーホール導電体２Ｄに接続されている。同様に、電気化学装置５Ｄの末端のセル１５Ｂの電極１７Ｂはスルーホール導電体２Ｄに接続されており、他端のセル１５Ｂの電極１６Ｂは、周壁部１２内にまで延びており、スルーホール導電体２Ｅに接続されている。同様に、電気化学装置５Ｅの末端のセル１５Ａの電極１７Ｂはスルーホール導電体２Ｅに接続されており、他端のセル１５Ａの電極１６Ｂは、周壁部１２内にまで延びており、スルーホール導電体２Ｆに接続されている。導電体２Ａ、２Ｆは、図示しない外部の端子に接続されている。
【００３５】
図３においては、第一のガス通路、第二のガス通路への各ガス供給ルート、あるいは各通路からのガスの排出ルートについては、図示していない。こうしたガス供給ルート、排出ルートについては、通常法を利用できる。例えば、図２の分解斜視図および図４の断面図に示すように、第一のガス供給路１０Ａから第一のガス通路３へとガスを供給し、次いで別のガス供給路１０Ｂを通して、より下側のガス通路３へとガスを流すことができる。更に、ガス供給路１０Ｃ、通路３および排出路１０Ｄを通してガスを流し、装置外へと排出させる。
【００３６】
同様に、第二のガス供給路１１Ａ、第二のガス通路４、ガス供給路１１Ｂ、通路４、ガス供給路１１Ｃ、通路４、ガス排出路１１Ｄの順にガスを流す。
【００３７】
こうした実施形態による作用効果について述べる。
【００３８】
各電極には酸化性ガスや還元性ガスに対する耐蝕性が必要であるので、ニッケル−ジルコニアサーメットやランタンマンガナイトなど、使用可能な材質が限られている。これに対して、周壁部スルーホール導電体２Ａ−２Ｆには、こうした耐蝕性は不要であるので、導電性が高く、セラミックスの作動温度で溶融や変形を起こさない高融点金属が好ましい。ところが、こうした材質の相違のために、スルーホール導電体と各電極の表面との間では、接触絶縁抵抗が大きくなる。
【００３９】
これに加えて、こうした構造体の温度が上昇すると、各電極は固体電解質層の変形に追従して変形する。一方、周壁部スルーホール導電体は、主としてセパレータ層を構成するセラミックスの変形に追従して変形する。このため、両者の変形量の相違によって、周壁部スルーホール導電体と各電極との間には、矢印Ａ方向（図３参照）に向かって応力が残留した状態となる。このため、界面において接触状態が不均質な状態となりやすい。
【００４０】
例えば特開平１−１２８３５９号公報に記載の固体電解質型燃料電池においては、こうした構造体内で、各電気化学セルが並列接続されている。これは、電気化学装置からの取り出し電圧が高々０．７−１．０ボルト程度であり、このため電流値が大きいことを意味している。取り出し電圧は一定であるので、この電流量は、電気化学セルの個数に比例して増大する。一方、この界面全体は、前述した理由から界面抵抗が大きくなっており、かつ界面のごく一部は導電体と電極表面とが強く接触した状態になっているものと推定できる。こうした状態で、大電流が周壁部スルーホール導電体と電極表面との界面を流れると、界面の一部に電流が集中し、局所的な発熱を生じ、界面付近の組織を変質させるものと考えられる。
【００４１】
本実施形態においては、このような周壁部内部の電気化学セルを直列に接続することで、取り出し電圧を大きくし、かつスルーホール導電体と電極表面との界面を流れる電流量を削減することで、界面における局所的な電流集中を小さくし、局所的な顕著な発熱が生じないようにした。
【００４２】
また、図２−図４の実施例においては、電気化学セルを構成する固体電解質層と周壁部とを同種のセラミック固体電解質材料によって形成し、一体化させることによって、同種の固体電解質材料からなる一体の構造体を生成させている。
【００４３】
このような構造体に熱サイクルが加わると、固体電解質層上の各電極は、固体電解質層の熱膨張、収縮に追従して変形する。これと同時に、周壁部スルーホール導電体は、周壁部の熱膨張、収縮に追従して変形する。この際、周壁部と各固体電解質層とを前記したように一体の同種材料からなる骨格として形成することで、固体電解質層上の各電極と周壁部スルーホール導電体の端面との位置ズレがほとんどなくなる。特に、矢印Ａ（図３参照）で示すような、電極の面内方向における位置ずれを消去できる。
【００４４】
好適な実施形態においては、セパレータ層のセラミックス組織と固体電解質層のセラミックス組織とが微視的に見て連続している。
【００４５】
また、好適な実施形態においては、第一の電極および第二の電極がそれぞれ周壁部内にまで延びており、スルーホール導電体の端面に対して直接に接触している。図３、図４においては、こうした形態を図示した。これによって、装置内部における電気抵抗を更に減少させ得る。
【００４６】
また、好ましくは、周壁部が、第一のガス通路および第二のガス通路を気密に包囲する複数のセパレータ層を備えており、固体電解質層が周壁部内まで延び、固体電解質層の端部が、隣り合うセパレータ層の間に挟まれている。
【００４７】
また、好適な実施形態においては、第一のガス通路３のうち少なくとも一つが、隣合う一組のセル１５Ａ、１５Ｂによって挟まれており、これらのセルの各第一の電極が第一のガス通路３を挟んで対向している。また、第二のガス通路４のうち少なくとも一つが、隣合う一組のセル１５Ａ、１５Ｂによって挟まれており、これらのセルの各第二の電極が第二のガス通路を挟んで対向している。こうした設計を採用することで、第一のガス通路と第二のガス通路とが、セルを挟んで交互に位置するようになり、無駄な空間が発生しない。このため、単位体積当たりの効率が高くなる。
【００４８】
周壁部は、絶縁性セラミックスや固体電解質材料によって形成することができる。これらは、電気化学セルの作動温度において、第一のガス通路および第二のガス通路に対して耐蝕性を有する材質であれば、特に制限されない。こうした絶縁性セラミックスとしては、アルミナ、ムライト、マグネシアスピネル、カルシアまたはマグネシア安定化ジルコニアがある。また固体電解質型材料としては、イットリア安定化ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア、酸化セリウム系セラミックスの他、ランタンガレート、スカンジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニアを例示できる。
【００４９】
なお、周壁部を構成するセラミック固体電解質材料と固体電解質層を構成する材料とが同種であるとは、その基本成分が同じであることを意味している。複数の基本成分がある場合には、複数の基本成分が同じであれば、各基本成分の構成比率が異なっていたとしても、やはり同種のセラミックスであると言える。また、少量のドープ成分については異動があっても差し支えない。基本組成が同じであれば、一体焼結後には、周壁部と固体電解質層とのセラミックス組織が連続し、継ぎ目は消失するからである。
【００５０】
周壁部を構成するセラミックスと、固体電解質層を構成するセラミックスとの間で、ドープ成分が異なっている場合には、異なっているドープ成分の重量比率は全体の１０重量％以下であることが好ましい。
【００５１】
本発明の集合電気化学装置の製造方法は限定されないが、生産性の観点からは、グリーンシート積層法によって製造することが特に好ましい。この際には、図１、図２に示すような各層を、ドクターブレード法、プレス法、押し出し法等によって成形して各グリーンシートを作製し、これを積層し、焼結させる。
【００５２】
成形の際に使用できる有機バインダーとしては、ポリメチルアクリレート、ニトロセルロース、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、スターチ、ワックス、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマーを例示できる。造孔材としては、セルロース、カーボン、アクリルパウダー等を例示できる。
【００５３】
好適な実施形態においては、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部との間に、固体電解質層とは別体の絶縁体を介在させる。この実施形態について、以下に述べる。
【００５４】
図５は、図１の電気化学装置における、隣接する電気化学セルの間の接続部分を拡大して示す断面図である。一方のセルの第一の電極１６Ｃの端部３１と、他方のセルの第二の電極１７Ｄの端部３２とが、固体電解質層９を挟んで対向している。第一の電極１６Ｃと１６Ｄとの間には隙間２３が設けられており、第二の電極１７Ｃと１７Ｄとの間には隙間２４が設けられている。端部３１と３２とはスルーホール導電体２２によって接続されている。
【００５５】
同一のセルに属する電極１６Ｃと１７Ｃ、１６Ｄと１７Ｄとの間で酸素イオンＯ₂ ^- が移動すると、それに見合って電子ｅ^- がスルーホール導電体２２を移動する。しかし、隣接する相異なるセルに属する電極１６Ｃと１７Ｄ、あるいは１６Ｄと１７Ｃとの間でも、酸素イオンＯ₂ ^- が移動する場合がある。特に、スルーホール導電体２２の周囲では、端部３１と３２との間で酸素イオンが矢印Ｃのように移動する。また、電極１７Ｃの端部と電極１６Ｄとの間でも、矢印Ｅのように酸素イオンが移動する。
【００５６】
これらの酸素イオンの移動が生ずると、スルーホール導電体２２の周りに閉回路が生成し、隣接する各セルにおいて生成した起電力の一部を消費するので、いずれも電流損失の原因となる。また、閉回路を流れる電流のため、燃料、酸化剤が消費され、燃料利用率の低下を招く。
【００５７】
本実施形態においては、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部との間に、固体電解質層とは別体の絶縁体を介在させる。これによって、矢印Ｃのような端部間での酸素イオンの移動が少なくとも抑制、防止され、電流損失を低減できる。
【００５８】
絶縁体の位置は、ある電気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部との間であれば限定されない。例えば、固体電解質層９の一方の面９ｃ上であってよく、他方の面９ｄ上であってよく、貫通孔９ａの内壁面上（つまりスルーホール導電体２２の側周面２２ａ上）であってよく、更には固体電解質層９の内部に埋設されていてもよい。
【００５９】
固体電解質層とは別体の絶縁体は、酸素イオン透過能は有していないことが必要であるが、その絶縁性能は設計事項である。しかし、例えば絶縁体の体積抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
【００６０】
絶縁体の材質としては、例えばアルミナ、シリカ、ムライト、マグネシア、アルミナ−マグネシアスピネルを例示できる。
【００６１】
絶縁層の厚さは特に制限はないが、１０−５０μｍが好ましい。
【００６２】
好適な実施形態においては、絶縁体が、第一の電極の端部と固体電解質層との間に設けられている絶縁層であり、また、絶縁体が、第二の電極の端部と固体電解質層との間に設けられている絶縁層である。これによって、最も効率的に端部間を絶縁可能である。
【００６３】
好適な実施形態においては、隣接する一対の電気化学セルの間で第一の電極間に隙間が設けられており、この隙間に絶縁層が露出している。また、隣接する一対の電気化学セルの間で第二の電極間に隙間が設けられており、この隙間に絶縁層が露出している。
【００６４】
図６−図９は、この実施形態に係る電気化学装置を示すものである。図６（ａ）は電気化学装置３５Ａを示す断面図であり、図６（ｂ）は、固体電解質層９にスルーホール導電体および絶縁層が形成された状態を示す平面図であり、図６（ｃ）は装置３５Ａの平面図である。
【００６５】
装置３５Ａには、複数個、例えば４個の電気化学セル１５が設けられており、各セル１５は互いに直列接続されている。固体電解質層９は、本例では平面的に見て長方形の平板形状をしている。固体電解質層９の一方の面９ｃ上には第一の電極１６が例えば４個形成されており、他方の面９ｄ上には第二の電極１７が例えば４個形成されている。Ｂは、電気化学セルの主要な作用領域である。
【００６６】
隣接する第一の電極１６の間には細長い隙間２３が形成されており、隣接する第二の電極１７の間には細長い隙間２４が形成されている。各電極１６の端部３１は、隣接するセルの電極１７の端部３２に対して、固体電解質層９を挟んで対向している。固体電解質層９内には、前記した端部の対向領域においてスルーホール導電体２２が設けられている。各スルーホール導電体２２によって、隣接する電気化学セル１５の電極１６と１７とが直列に接続されている。
【００６７】
スルーホール導電体２２の周囲において、固体電解質層９の一方の面９ｃ上に、絶縁層２５Ａ、２５Ｂが設けられており、固体電解質層９の他方の面９ｄ上に、絶縁層２５Ｃ、２５Ｄが設けられている。これによって、各電極の端部と固体電解質層の表面との間には絶縁層がそれぞれ介在し、絶縁することになる。隙間２３には絶縁層２５Ｂが露出し、隙間２４には絶縁層２５Ｄが露出する。
【００６８】
好適な実施形態においては、スルーホール導電体と固体電解質層との間に絶縁体を設けるか、あるいは、スルーホール導電体の内部に絶縁体を設ける。
【００６９】
図５において、スルーホール導電体２２自体も、電極１６Ｃ、１６Ｄに対して、あるいは電極１７Ｃ、１７Ｄに対して、一種の電極として作用し、電力を消費することがある。このため、スルーホール導電体２２と固体電解質層９との間に絶縁体を設けることによって、スルーホール導電体が電極として作用しないようにし、これによる電力の消費を防止できる。
【００７０】
図７−図９は、この実施形態に係るものである。図７（ａ）−（ｃ）の電気化学装置３５Ｂは、図６の装置３５Ａと同様のものであるが、スルーホール導電体２２の側周面に絶縁層２５Ｅが形成されており、これによってスルーホール導電体２２と貫通孔９ａの内壁面とが絶縁されている。
【００７１】
好適な実施形態においては、絶縁層が、複数の電気化学セルが配列されている配列方向と垂直な方向において、第一の電極または第二の電極によって被覆されていない延在部を備えている。図８、図９は、この実施形態に係るものである。
【００７２】
図８（ａ）−（ｃ）の電気化学装置３５Ｃは、図７の装置３５Ｂとほぼ同様のものである。ただし、各スルーホール導電体２２Ａの平面形状は、円形ではなく長方形である。また、特に図８（ｃ）に示すように、絶縁層は、複数の電気化学セルが配列されている配列方向Ｚと垂直な方向Ｙにおいて、電極１６によって被覆されていない延在部２５Ｆを備えている。
【００７３】
この実施形態においては、たとえ絶縁層と電極との相対的位置が製造上の誤差からズレたものとしても、確実に電極の端部を絶縁できるという利点がある。即ち、図６、図７に示したような形態では、Ｙ方向に見て、電極１６の縁と絶縁層２５Ａ、２５Ｂとの縁とがほぼ同一線上にある。このため、製造上の誤差によって、絶縁層２５Ａ、２５Ｂの位置と電極１６の位置とが位置ずれを起こすと、電極１６の縁と絶縁層２５Ａ、２５Ｂとの縁とが、Ｙ方向に見てずれてしまう。この結果、電極１６の端部３１の一部分は、絶縁層によって絶縁されることなく、固体電解質層９の一方の面９ｃに対して直接に接触することになる。この結果、前述した閉回路を生じさせる。
【００７４】
これに対して、延在部２５Ｆを設けることによって、前述のように、電極と絶縁層との平面的位置に位置ずれが生じたものとしても、そうした位置ずれは延在部によって吸収され、電極の端部の絶縁は確保される。
【００７５】
図９（ａ）−（ｃ）の電気化学装置３５Ｄは、図８の装置３５Ｃとほぼ同様のものである。ただし、特に図９（ｂ）に示すように、延在部２５Ｆの他に、各セルの作用領域Ｂ内の矢印Ｙ方向の縁面に沿って延びる延在部２５Ｇが形成されている。
【００７６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数の電気化学セルを電気的に接続してなる構造の電気化学装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減らすことができるようにし、かつ、隣接する電気化学セルの接続部分の材質の劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電気化学装置５を示す断面図であり、（ｂ）は装置５の平面図である。
【図２】電気化学装置５の一部を分解して示す斜視図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図１の装置５において、隣接するセル間の接続部分を拡大して示す断面図である。
【図６】（ａ）は、電気化学装置３５Ａの断面図であり、（ｂ）は、固体電解質層９にスルーホール導電体２２および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、（ｃ）は、装置３５Ａの平面図である。
【図７】（ａ）は、電気化学装置３５Ｂの断面図であり、（ｂ）は、固体電解質層９にスルーホール導電体２２および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、（ｃ）は、装置３５Ｂの平面図である。
【図８】（ａ）は、電気化学装置３５Ｃの断面図であり、（ｂ）は、固体電解質層９にスルーホール導電体２２および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、（ｃ）は、装置３５Ｃの平面図である。
【図９】（ａ）は、電気化学装置３５Ｄの断面図であり、（ｂ）は、固体電解質層９にスルーホール導電体２２および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、（ｃ）は、装置３５Ｄの平面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ末端層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ周壁部スルーホール導電体３第一のガス通路４第二のガス通路５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、１５電気化学セル１７、１７Ａ、１７Ｂ第二の電極８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ、８Ｆセパレータ層９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｅ固体電解質層９ａ貫通孔９ｃ一方の面９ｄ他方の面１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ第一のガス供給路１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ第二のガス供給路１２周壁部１３機能部１６、１６Ａ、１６Ｂ第一の電極２２、２２Ａスルーホール導電体２３隣接するセルの第一の電極間の隙間２４隣接するセルの第二の電極の間の隙間Ｘ固体電解質層９に垂直な方向Ｙ複数のセルの配列方向に垂直な方向Ｚ複数のセルの配列方向

Claims

固体電解質層と、この固体電解質層上に設けられた複数の第一の電極と、前記固体電解質層上に設けられた複数の第二の電極とを備えており、前記第一の電極と前記第二の電極とによって複数の電気化学セルが構成されている電気化学装置であって、
前記固体電解質層を貫通する少なくとも一つのスルーホール導電体を備えており、前記固体電解質層において隣接する少なくとも二つの前記電気化学セルが前記スルーホール導電体を介して電気的に接続されていることを特徴とする、電気化学装置。
前記固体電解質層の一方の面上に前記複数の第一の電極が設けられており、前記固体電解質層の他方の面上に前記複数の第二の電極が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
ある電気化学セルの前記第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの前記第二の電極の端部とが、前記固体電解質層を挟んで対向する位置に設けられており、前記第一の電極の前記端部と前記第二の電極の前記端部とが、前記スルーホール導電体によって電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
ある電気化学セルの前記第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの前記第二の電極の端部との間に、前記固体電解質層とは別体の絶縁体が介在していることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記絶縁体が、前記第一の電極の端部と前記固体電解質層との間に設けられている絶縁層であることを特徴とする、請求項４記載の装置。
前記絶縁体が、前記第二の電極の端部と前記固体電解質層との間に設けられている絶縁層であることを特徴とする、請求項４または５記載の装置。
隣接する一対の前記電気化学セルの間で前記第一の電極間に隙間が設けられており、この隙間に前記絶縁体が露出していることを特徴とする、請求項４−６のいずれか一つの請求項に記載の装置。
隣接する一対の前記電気化学セルの間で前記第二の電極間に隙間が設けられており、この隙間に前記絶縁体が露出していることを特徴とする、請求項４−７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記絶縁層が、前記複数の電気化学セルが配列されている配列方向と垂直な方向において、前記第一の電極または前記第二の電極によって被覆されていない延在部を備えていることを特徴とする、請求項５−８のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記スルーホール導電体と前記固体電解質層との間に絶縁体が設けられていることを特徴とする、請求項１−９のいずれか一つの請求項に記載の装置。
前記隣接する少なくとも二つの前記電気化学セルが前記スルーホール導電体を介して直列接続されていることを特徴とする、請求項１−１０のいずれか一つの請求項に記載の装置。
請求項２−１１のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置を複数備えている集積電気化学装置であって、
セラミックスからなる周壁部および前記周壁部内に埋設されている周壁部内スルーホール導電体を備えており、前記周壁部の内側に第一のガス通路と第二のガス通路とが形成されており、前記複数の固体電解質層が前記周壁部の内側に設けられており、前記第一の電極が前記第一のガス通路に面しており、前記第二の電極が前記第二のガス通路に面していることを特徴とする、集積電気化学装置。
隣接する一対の前記電気化学装置が前記周壁部内スルーホール導電体によって電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
前記周壁部と前記固体電解質層とが同種のセラミック固体電解質材料からなることを特徴とする、請求項１２または１３記載の装置。