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JP7634406B2 - Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolysis cell, and method for manufacturing electrochemical element - Google Patents

Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolysis cell, and method for manufacturing electrochemical element Download PDF

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JP7634406B2
JP7634406B2 JP2021059953A JP2021059953A JP7634406B2 JP 7634406 B2 JP7634406 B2 JP 7634406B2 JP 2021059953 A JP2021059953 A JP 2021059953A JP 2021059953 A JP2021059953 A JP 2021059953A JP 7634406 B2 JP7634406 B2 JP 7634406B2
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規寿 神家
将和 依田
章雄 稲家
孝之 中尾
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Osaka Gas Co Ltd
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Description

本発明は、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及び固体酸化物形電解セル、並びに電気化学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to electrochemical elements, electrochemical modules, electrochemical devices, energy systems, solid oxide fuel cells and solid oxide electrolysis cells, and methods for manufacturing electrochemical elements.

特許文献1には、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モジュールとして、電気化学素子を複数積層した構造を備えたものが提案されている。この特許文献1記載の電気化学素子は、内部に流路が形成された導電性を有する支持体や、燃料極層、電解質層、空気極層がこの順序で支持体上に積層されて形成されている電気化学反応部を備えている。 Patent Document 1 proposes an electrochemical module that constitutes an electrochemical device such as a fuel cell (electrochemical power generation cell) or an electrolysis cell, which has a structure in which multiple electrochemical elements are stacked. The electrochemical element described in Patent Document 1 has a conductive support having a flow path formed therein, and an electrochemical reaction section in which a fuel electrode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer are stacked in this order on the support.

上記のような電気化学モジュールでは、電気化学素子を複数積層した際に、導電性を有する支持体の外周近傍を主な導電パスとして、複数の電気化学素子が電気的に接続した状態となっている。 In the electrochemical module described above, when multiple electrochemical elements are stacked, the electrochemical elements are electrically connected with the conductive support near its outer periphery as the main conductive path.

また、複数の電気化学素子を電気的に接続された状態で積層する構成としては、特許文献2に記載された構成も知られている。 In addition, the configuration described in Patent Document 2 is also known as a configuration in which multiple electrochemical elements are stacked while being electrically connected.

特許文献2には、固体酸化物電解質層と、この固体酸化物電解質層の上方に積層された燃料極層及びセパレータと、固体酸化物電解質層の下方に積層された空気極層及びセパレータとを有する燃料電池セルを備えた燃料電池スタックが開示されている。そして、この燃料電池スタックにおいては、隣接する燃料電池セル間を電気的に接続する接続部と、セパレータ内を積層方向に貫通して設けられ、接続部と燃料極層又は空気極層とを電気的に接続する導電ビアとによって、隣接する燃料電池セル間において、燃料極層と空気極層とを電気的に接続した状態で複数の燃料電池セルが積層されている。 Patent Document 2 discloses a fuel cell stack including fuel cells each having a solid oxide electrolyte layer, a fuel electrode layer and a separator stacked above the solid oxide electrolyte layer, and an air electrode layer and a separator stacked below the solid oxide electrolyte layer. In this fuel cell stack, a plurality of fuel cells are stacked with the fuel electrode layer and the air electrode layer electrically connected between adjacent fuel cells by a connection part that electrically connects adjacent fuel cells, and a conductive via that penetrates the separator in the stacking direction and electrically connects the connection part and the fuel electrode layer or the air electrode layer.

特開2016-195029号公報JP 2016-195029 A 国際公開第2017/090367号International Publication No. 2017/090367

ところが、導電性を有する支持体の外周近傍を主な導電パスとした場合、電気化学素子内部の導電抵抗が比較的大きくなる。そのため、従来の電気化学モジュールにおける電気化学素子では、電気化学反応部で発電した電力や電気化学反応部に印加する電力に損失が発生しており、当該電気化学素子の性能が十分に引き出されていないという課題がある。 However, when the vicinity of the outer periphery of the conductive support is used as the main conductive path, the conductive resistance inside the electrochemical element becomes relatively large. As a result, in the electrochemical element of a conventional electrochemical module, losses occur in the power generated in the electrochemical reaction section and in the power applied to the electrochemical reaction section, and there is an issue that the performance of the electrochemical element is not fully utilized.

また、上記特許文献2に記載された導電ビアは、燃料極層や空気極層と接続部を電気的に接続するために、セパレータ内を積層方向に貫通して設ける必要がある。そのため、燃料電池セルの構造が複雑であり、作製難度も高く、燃料電池セルの製造コストが高くなるという課題がある。また、燃料電池セルの構造が複雑であるが故に、耐久性が低くなり易く、破損等による性能の低下も起こり易いという課題もある。 The conductive vias described in Patent Document 2 must penetrate the separator in the stacking direction to electrically connect the fuel electrode layer and the air electrode layer to the connection parts. This results in a complex fuel cell structure, which is difficult to fabricate and increases the manufacturing costs of the fuel cell. In addition, the complex structure of the fuel cell makes it prone to low durability and performance degradation due to breakage, etc.

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、よりシンプルな構造によって電気化学素子間の電気的接続が可能であり、より性能が高い電気化学素子、この電気化学素子を備えた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及び固体酸化物形電解セル、並びに電気化学素子の製造方法の提供を、その目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide an electrochemical element that allows electrical connection between electrochemical elements with a simpler structure and has higher performance, an electrochemical module that includes this electrochemical element, an electrochemical device, an energy system, a solid oxide fuel cell and a solid oxide electrolysis cell, and a method for manufacturing an electrochemical element.

上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、
内側に内部流路を有する導電性の板状支持体と、
前記板状支持体上に形成された電極層、対極電極層、並びに電極層と対極電極層とに挟まれた電解質層からなる電気化学反応部とを備え、
前記板状支持体に、当該板状支持体の厚さ方向において、前記内部流路間を電気的に接続する接続部が形成され、前記板状支持体は、少なくとも2つの導電性部材から構成され、前記2つの導電性部材が導電パスとなる周縁部を備えた点にある。
The electrochemical device according to the present invention for achieving the above object has the following characteristic configuration:
A conductive plate-shaped support having an internal flow path therein;
an electrochemical reaction section including an electrode layer formed on the plate-like support, a counter electrode layer, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layer and the counter electrode layer;
The plate-shaped support has a connection portion formed in the thickness direction of the plate-shaped support to electrically connect the internal flow paths , and the plate-shaped support is composed of at least two conductive members, and the two conductive members have peripheral portions that serve as conductive paths .

上記特徴構成によれば、板状支持体に形成された接続部が導電パスとして機能することになるため、従来のように、導電性を有する支持体の外周近傍を主な導電パスとしていた場合と比較して、電気化学素子内部の導電抵抗を小さくできる。そのため、電気化学反応部で発電した電力や電気化学反応部に印加する電力の損失を抑えることができる。つまり、上記特徴構成によれば、従来よりも性能が高い電気化学素子が実現できる。
また、板状支持体の板状面と直交する方向に貫通する導電ビアを当該板状支持体に設けるような場合(貫通孔の形成や貫通孔への導電性部材の埋め込みを要する場合)と比較して、構造がシンプルであり、作製も容易である。したがって、耐久性の低下や使用による性能の低下も起こり難く、電気化学素子の製造コストも抑えられる。
上記特徴構成によれば、2つの導電性部材を対向して配置し、外周部を接合することで、容易に内部流路を形成することができる。そして、内部流路間において、2つの導電性部材を電気的に接合することで容易に接続部を形成できる。したがって、電気化学素子の製造コストを低減できる。
また、2つの導電性部材が導電パスとなる周縁部を備えているため、接続部および周縁部が導電パスとして機能することとなる。よって、電気化学素子内部の導電抵抗をより小さくでき、より性能が高い電気化学素子が実現できる。
According to the above characteristic configuration, the connection portion formed on the plate-shaped support functions as a conductive path, so that the conductive resistance inside the electrochemical element can be reduced compared to the conventional case in which the vicinity of the outer periphery of the conductive support is used as the main conductive path. Therefore, the loss of the power generated in the electrochemical reaction section and the power applied to the electrochemical reaction section can be reduced. In other words, according to the above characteristic configuration, an electrochemical element with higher performance than the conventional one can be realized.
In addition, compared to a case where a conductive via is provided in the plate-like support in a direction perpendicular to the plate-like surface of the plate-like support (a case where a through hole needs to be formed or a conductive member is embedded in the through hole), the structure is simple and easy to fabricate. Therefore, deterioration in durability and deterioration in performance due to use are unlikely to occur, and the manufacturing cost of the electrochemical element can be reduced.
According to the above-mentioned characteristic configuration, the internal flow path can be easily formed by arranging two conductive members facing each other and joining the outer peripheries. Then, the connection part can be easily formed between the internal flow paths by electrically joining the two conductive members. Therefore, the manufacturing cost of the electrochemical element can be reduced.
In addition, since the two conductive members have peripheral portions that function as conductive paths, the connection portions and peripheral portions function as conductive paths, which makes it possible to reduce the conductive resistance inside the electrochemical element and to realize an electrochemical element with higher performance.

本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記内部流路が、前記板状支持体の板状面に沿う方向において第1方向に延び、且つ、前記板状支持体の板状面に沿う方向において前記第1方向と交差する第2方向に離隔して前記第1方向に延びる複数の副流路を有している点にある。
A further characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is
The internal flow path extends in a first direction along the plate-shaped surface of the plate-shaped support, and has a plurality of sub-flow paths extending in the first direction and spaced apart in a second direction intersecting the first direction along the plate-shaped surface of the plate-shaped support.

例えば、電気化学素子を燃料電池として機能させる場合、内部流路にガスが流通させる。この際、ガスは、板状部材の内面に沿って移動することになるが、当該ガスは、内部流路において複数の流路を流れることで、複数の流路それぞれに沿って分かれて流れる。そうすると、内部流路の中央部と外周部とではガスの通流抵抗が異なり、ガスの通流する速度に差が生じる可能性がある。そして、このような速度差が生じると、電気化学反応部に達するガスの量にも差が生じることになるため、電気化学出力の発生する効率にも差が生じ、局所的に高温になったり、急速に劣化したりする部位が生じるという問題が発生する虞がある。しかしながら、上記特徴構成によれば、複数の副流路に分かれて流れることによる整流作用により、ガスは、複数の副流路が形成されていない内部流路を流れる場合と比較して、ガスの流れ方向と交差する流れ交差方向の任意の複数地点での流速が概ね一定となる。つまり、流れ交差方向の中央部及び両端部を含む任意の複数地点において、ガスの流速が概ね一定となる。よって、流れ交差方向の中央部及び両端部を含む任意の複数地点において、電気化学反応部に流通されるガスの量を概ね一定にできる。これにより、電気化学反応部において、ガスが不足する部分と、ガスが過剰に流通される部分との差を小さくし、電気化学反応部の広い領域にわたって均一な反応場を形成することができるため、電気化学素子全体において発電を行わせる場合においては発電効率を向上でき、上記問題の発生を抑制することもできる。また、電解反応を行わせる場合においても効率良く反応を進行させることができる。 For example, when the electrochemical element functions as a fuel cell, gas is passed through the internal flow path. At this time, the gas moves along the inner surface of the plate-shaped member, but the gas flows through multiple flow paths in the internal flow path, and thus the gas flows separately along each of the multiple flow paths. In this case, the gas flow resistance differs between the center and the outer periphery of the internal flow path, and there is a possibility that the gas flow speed differs. If such a speed difference occurs, the amount of gas that reaches the electrochemical reaction section also differs, and therefore the efficiency of generating electrochemical output also differs, and there is a risk of problems such as the occurrence of parts that become locally hot or rapidly deteriorate. However, according to the above characteristic configuration, the flow speed of the gas at any multiple points in the flow cross direction that crosses the flow direction of the gas becomes approximately constant, compared to when the gas flows through an internal flow path in which multiple sub-flow paths are not formed, due to the rectification effect of the gas flowing through the multiple sub-flow paths. In other words, the gas flow speed becomes approximately constant at any multiple points including the center and both ends in the flow cross direction. Therefore, the amount of gas flowing through the electrochemical reaction section can be made roughly constant at any multiple points, including the center and both ends in the cross flow direction. This reduces the difference between the parts of the electrochemical reaction section where there is a shortage of gas and the parts where there is an excess of gas, and a uniform reaction field can be formed over a wide area of the electrochemical reaction section. Therefore, when generating electricity in the entire electrochemical element, the power generation efficiency can be improved and the occurrence of the above problems can be suppressed. In addition, when an electrolytic reaction is performed, the reaction can be made to proceed efficiently.

本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記板状支持体上に複数の前記電気化学反応部を有し、
前記複数の電気化学反応部間の少なくとも一か所に、前記接続部が形成されている点にある。
A further characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is
A plurality of the electrochemical reaction units are provided on the plate-like support,
The point is that the connection portion is formed at at least one location between the plurality of electrochemical reaction portions.

上記特徴構成によれば、一つの板状支持体上に複数の電気化学反応部を有している場合に、板状支持体の外周近傍だけでなく、これら複数の電気化学反応部間に形成された接続部が導電パスとして機能する。つまり、複数の電気化学反応部からみて板状支持体の外周近傍よりも近い位置に導電パスが形成された状態となる。したがって、導電性を有する支持体の外周近傍を主な導電パスとしていた場合と比較して、電気化学素子内部の導電抵抗を小さくでき、電気化学反応部で発電した電力や電気化学反応部に印加する電力の損失を抑えることができる。つまり、上記特徴構成によれば、従来よりも性能が高い電気化学素子が実現できる。
また、電気化学反応部間であれば、接続部を形成する加工を行う際に、電気化学反応部の損傷を抑えるといった制約が少ないため、種々の方法で接続部を形成できる。
According to the above characteristic configuration, when a single plate-shaped support has multiple electrochemical reaction units, not only the vicinity of the outer periphery of the plate-shaped support but also the connection unit formed between the multiple electrochemical reaction units functions as a conductive path. In other words, a conductive path is formed at a position closer to the multiple electrochemical reaction units than the vicinity of the outer periphery of the plate-shaped support. Therefore, compared to a case where the vicinity of the outer periphery of a conductive support is used as the main conductive path, the conductive resistance inside the electrochemical element can be reduced, and the loss of power generated in the electrochemical reaction units and power applied to the electrochemical reaction units can be suppressed. In other words, according to the above characteristic configuration, an electrochemical element with higher performance than conventional ones can be realized.
Furthermore, when processing is performed between electrochemical reaction sections to form a connection, there are fewer restrictions such as preventing damage to the electrochemical reaction sections, so the connection can be formed by a variety of methods.

本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記板状支持体は、金属部材で構成される点にある。
A further characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is
The plate-like support is made of a metal member.

上記特徴構成によれば、電気化学素子は、強度に優れた金属部材からなる板状支持体上に電極層や電解質層、対極電極層などの電気化学反応部の構成要素が形成されたものとなるから、電極層や電解質層、対極電極層などの電気化学反応部の構成要素を薄層化・薄膜化することが可能となる。したがって、電気化学素子の材料コストを低減しつつ、当該電気化学素子について高い性能と耐久性を確保することが可能となる。 According to the above characteristic configuration, the electrochemical element has components of the electrochemical reaction section, such as an electrode layer, an electrolyte layer, and a counter electrode layer, formed on a plate-like support made of a metal member with excellent strength, so that the components of the electrochemical reaction section, such as the electrode layer, electrolyte layer, and counter electrode layer, can be made thin. Therefore, it is possible to ensure high performance and durability of the electrochemical element while reducing the material cost of the electrochemical element.

本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記接続部は、導電性部材を含む点にある。
A further characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is
The connection portion is at a point including a conductive member.

上記特徴構成によれば、板状支持体の厚さ方向において内部流路の流路径が大きい場合(言い換えれば、内部流路を構成する板状支持体の内面のうち、当該板状支持体の厚さ方向において対向する面の間の距離が離れている場合)であっても、導電性部材を用いて内部流路間を電気的に接続する接続部を形成できる。 According to the above characteristic configuration, even if the flow path diameter of the internal flow path is large in the thickness direction of the plate-shaped support (in other words, even if the distance between the opposing faces in the thickness direction of the plate-shaped support among the inner faces of the plate-shaped support that form the internal flow path is large), a connection part that electrically connects the internal flow paths can be formed using a conductive member.

本発明に係る電気化学素子の更なる特徴構成は、
前記板状支持体の表面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている点にある。
A further characteristic configuration of the electrochemical element according to the present invention is
At least a part of the surface of the plate-like support is covered with a metal oxide film.

上記特徴構成によれば、板状支持体からCr等の成分が電気化学反応部の電極層等へ拡散することを抑制できる。したがって、電極層等の性能低下を抑制し、電気化学素子の性能・耐久性を高めることができる。 The above characteristic configuration can prevent components such as Cr from diffusing from the plate-shaped support to the electrode layer of the electrochemical reaction section. This can prevent the performance of the electrode layer from deteriorating, and improve the performance and durability of the electrochemical element.

本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、
上記電気化学素子が複数集合した状態、且つ、電気的に接続された状態で配置される点にある。
The electrochemical module according to the present invention has the following characteristic configuration:
The electrochemical elements are arranged in a state where a plurality of the electrochemical elements are assembled and electrically connected to each other.

上記特徴構成によれば、電気化学素子が電気的に複数接続した状態、且つ、複数集合した状態で配置されることで、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が実現できる。そして、例えば、電気化学モジュールを燃料電池として動作させる場合には、大きな発電出力を得ることも可能となる。 According to the above characteristic configuration, by arranging the electrochemical elements in a state in which multiple electrochemical elements are electrically connected and in a state in which multiple electrochemical elements are grouped together, it is possible to realize a compact, high-performance electrochemical module that is strong and reliable while suppressing material costs and processing costs. Furthermore, for example, when the electrochemical module is operated as a fuel cell, it is possible to obtain a large power generation output.

本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、
上記電気化学素子又は上記電気化学モジュールと、前記電気化学素子又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、前記電気化学素子又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点にある。
The electrochemical device according to the present invention has the following characteristic configuration:
The fuel converter has at least the above-mentioned electrochemical element or electrochemical module, and a fuel converter that generates a reducing component to be supplied to the electrochemical element or electrochemical module, or converts a gas containing a reducing component generated in the electrochemical element or electrochemical module.

上記特徴構成によれば、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 the above characteristic configuration, when the electrochemical element or electrochemical module is operated as a fuel cell, hydrogen can be generated by a fuel converter such as a reformer based on natural gas or the like supplied by using an existing raw fuel supply infrastructure such as city gas, and an electrochemical device having an electrochemical element or electrochemical module with excellent durability, reliability and performance can be realized. In addition, since it becomes easy to construct a system for recycling unused fuel gas circulated from the electrochemical module, a highly efficient electrochemical device can be realized.
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 passed 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 passed through, 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 passed through, 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 present system/apparatus and use them as fuel or chemical raw materials separately.

本発明に係る電気化学装置の別の特徴構成は、
上記電気化学素子又は上記電気化学モジュールと、前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは前記電気化学素子又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点にある。
Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is
The present invention is characterized in that it comprises at least the electrochemical element or the electrochemical module, and a power converter that extracts electric power from the electrochemical element or the electrochemical module, or that passes electric power to the electrochemical element or the electrochemical module.

上記特徴構成によれば、電力変換器は、電気化学素子又は電気化学モジュールが発電した電力を取り出し、或いは、電気化学素子又は電気化学モジュールに電力を流通することができる。これにより、上記のように電気化学素子又は電気化学モジュールは、燃料電池として作用し、或いは、電解セルとして作用する。したがって、上記特徴構成によれば、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、或いは、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が向上した電気化学装置を実現できる。尚、例えば、電力変換器としてインバータを用いる場合、燃料電池として動作させる際は、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、電気化学素子又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、電解セルとして動作させる際は、交流電源から直流を得て、電気化学素子又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 the above characteristic configuration, the power converter can extract the power generated by the electrochemical element or electrochemical module, or can circulate the power to the electrochemical element or electrochemical module. As a result, the electrochemical element or electrochemical module acts as a fuel cell or acts as an electrolytic cell as described above. Therefore, according to the above characteristic configuration, an electrochemical device can be realized with improved efficiency in 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 the power converter, when the device is operated as a fuel cell, the inverter can boost the voltage or convert direct current into alternating current, which is preferable because it makes it easier to use the electrical output obtained by the electrochemical element or electrochemical module. Also, when the device is operated as an electrolytic cell, it is preferable because it is possible to construct an electrochemical device that can obtain direct current from an alternating current power source and supply direct current power to the electrochemical element or electrochemical module.

本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、
上記電気化学装置と、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、を少なくとも有する点にある。
The characteristic configuration of the energy system according to the present invention is as follows:
The present invention is characterized in that the power generating device includes at least the electrochemical device and a waste heat utilization section that reuses heat discharged from the electrochemical device.

上記特徴構成によれば、耐久性・信頼性及び性能に優れ、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できる。また、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ドシステムを実現することも可能である。 The above characteristic configuration makes it possible to realize an energy system that is excellent in durability, reliability, and performance, as well as 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 utilizing the combustion heat of unused fuel gas discharged from the electrochemical device.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、
上記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点にある。
The solid oxide fuel cell according to the present invention has the following characteristic configuration:
The present invention is characterized in that it comprises the above-mentioned electrochemical element, and causes a power generation reaction in the electrochemical element.

上記特徴構成によれば、耐久性・信頼性及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ことができる。 The above characteristic configuration allows the power generation reaction to be carried out as a solid oxide fuel 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 fuel cell.

本発明に係る固体酸化物形電解セルの特徴構成は、
上記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点にある。
The solid oxide electrolysis cell according to the present invention has the following characteristic configuration:
The present invention is characterized in that it comprises the above-mentioned electrochemical element, and causes an electrolytic reaction in the electrochemical element.

上記特徴構成によれば、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ことができる。 The above characteristic configuration allows gas to be generated by electrolytic reaction as a solid oxide electrolysis cell equipped with an electrochemical element or electrochemical module that is highly durable, reliable, and high performance, making it possible to obtain a highly durable, high-performance solid oxide electrolysis cell.

本発明に係る電気化学素子の製造方法は、
上記電気化学素子を製造する方法であって、
前記接続部を形成する接続部形成工程を含み、
前記接続部形成工程に、溶接工程又は焼成工程の少なくともいずれか一方を含む点にある。
The method for producing an electrochemical device according to the present invention includes the steps of:
A method for producing the electrochemical device, comprising the steps of:
a connection portion forming step of forming the connection portion,
The connection portion forming step includes at least one of a welding step and a firing step.

上記特徴構成によれば、好適に接続部を形成することができる。 The above characteristic configuration allows the connection portion to be formed conveniently.

電気化学素子の概略構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electrochemical element. 電気化学素子を示す下面図である。FIG. 2 is a bottom view showing an electrochemical element. 図1におけるIII-III断面図である。3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 図1におけるIV-IV断面図である。4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 図1におけるV-V断面図である。This is a cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 図1におけるVI-VI断面図である。6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 図1におけるVII-VII断面図である。7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. 図1におけるVIII-VIII断面図である。8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 図1におけるIX-IX断面図である。IX-IX cross-sectional view in FIG. 図1におけるX-X断面図である。2 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 1. 図1におけるXI-XI断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. 図1におけるXII-XII断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along the line XII-XII in FIG. 図1におけるXIII-XIII断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. 図1におけるXIV-XIV断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. 図1におけるXV-XV断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along the line XV-XV in FIG. 図1におけるXVI-XVI断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along the line XVI-XVI in FIG. 図1におけるXVII-XVII断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along the line XVII-XVII in FIG. 図1におけるXVIII-XVIII断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along line XVIII-XVIII in FIG. 図1におけるXIX-XIX断面図である。1. This is a cross-sectional view taken along line XIX-XIX in FIG. レーザー溶接によって接続部を形成した状態を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a state in which a connection portion is formed by laser welding. 電気化学素子の要部拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a main portion of the electrochemical element. 供給構造体及び排出構造体を説明するための図である。11A and 11B are diagrams for explaining a supply structure and a discharge structure. 電気化学モジュールを示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrochemical module. エネルギーシステムを示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an energy system. 別実施形態に係る電気化学素子を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an electrochemical element according to another embodiment. 別実施形態に係るエネルギーシステムを示す概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing an energy system according to another embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る電気化学素子、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及び固体酸化物形電解セル、並びに電気化学素子の製造方法について説明する。 The following describes the electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, solid oxide electrolysis cell, and method for manufacturing the electrochemical element according to embodiments of the present invention with reference to the drawings.

尚、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層から見て対極電極層の側を「上」又は「上側」、電極層の側を「下」又は「下側」という場合がある。また、電気化学素子の積層方向を+Z方向及び-Z方向(Z方向)とし、Z方向に交差する方向を+X方向及び-X方向(X方向)とし、X方向及びZ方向に交差する方向を+Y方向及び-Y方向(Y方向)とする。XZ平面とXY平面とYZ平面とは互いに概ね直交している。 When describing the positional relationship of layers, for example, the counter electrode layer side as viewed from the electrolyte layer may be referred to as "top" or "upper side", and the electrode layer side as "bottom" or "lower side". The stacking direction of the electrochemical element is defined as the +Z direction and -Z direction (Z direction), the direction intersecting the Z direction is defined as the +X direction and -X direction (X direction), and the direction intersecting the X direction and Z direction is defined as the +Y direction and -Y direction (Y direction). The XZ plane, XY plane, and YZ plane are roughly perpendicular to each other.

(電気化学素子)
まず、電気化学素子Aについて説明する。図1~図22に示すように、電気化学素子Aは、導電性部材からなる第一板状体1(支持体)と同じく導電性部材からなる第二板状体2とからなる板状支持体10と、この板状支持体10上に間隔を空けて形成された2つの電気化学反応部3a,3bとを備えている。尚、後述するように、本実施形態においては、電気化学素子Aが、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)として用いられる。
(Electrochemical element)
First, the electrochemical element A will be described. As shown in Figures 1 to 22, the electrochemical element A includes a plate-like support 10 including a first plate-like body 1 (support) made of a conductive material and a second plate-like body 2 also made of a conductive material, and two electrochemical reaction units 3a, 3b formed at an interval on the plate-like support 10. As will be described later, in this embodiment, the electrochemical element A is used as a solid oxide fuel cell (SOFC) that generates electricity by receiving a supply of a fuel gas containing hydrogen and air.

(板状支持体)
次に、板状支持体10について、図1~図22を参照して説明する。本実施形態において、板状支持体10は、導電性部材として金属部材を用いた第一板状体1と第二板状体2とで構成される上面視長方形状である。つまり、板状支持体10は、金属部材で構成される。板状支持体10は、第一板状体1と第二板状体2との対抗面間に形成された内部流路A1を有する。また、表面貫通方向外方から内部流路A1に第一ガス又は第二ガスの一方を流通する供給路4を形成する第一貫通部41を板状支持体10の長手方向一端部側に備えるとともに、内部流路A1を流通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を他端部側に備えている。
(Plate-shaped support)
Next, the plate-like support 10 will be described with reference to FIGS. 1 to 22. In this embodiment, the plate-like support 10 is a rectangular shape in top view, composed of a first plate-like body 1 and a second plate-like body 2 using a metal member as a conductive member. That is, the plate-like support 10 is composed of a metal member. The plate-like support 10 has an internal flow path A1 formed between the opposing surfaces of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2. In addition, a first through portion 41 is provided on one end side of the longitudinal direction of the plate-like support 10 to form a supply path 4 for flowing one of the first gas or the second gas from the outer side in the surface penetration direction to the internal flow path A1, and a second through portion 51 is provided on the other end side to form a discharge path 5 for flowing the first gas that has flowed through the internal flow path A1 outward in the surface penetration direction of the plate-like support 10.

また、図4や図9~図11、図17、図18等に示すように、板状支持体10には、第一板状体1と第二板状体2との間に、表裏にわたる貫通孔を備えた板状の環状スペーサ92が配置されている。この環状スペーサ92は、板状支持体10における一端部側(第一貫通部41側)及び他端部側(第二貫通部51側)に配置されている。また、この環状スペーサ92は、第一板状体1と第二板状体2とに挟まれた状態で、貫通孔の内側の空間から環状スペーサ92の外部の空間まで気体を通流させる流路を備えている。 As shown in Fig. 4, Fig. 9 to Fig. 11, Fig. 17, Fig. 18, etc., a plate-shaped annular spacer 92 with through holes extending from the front to the back is disposed between the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 in the plate-shaped support body 10. This annular spacer 92 is disposed on one end side (the first through portion 41 side) and the other end side (the second through portion 51 side) of the plate-shaped support body 10. In addition, this annular spacer 92 has a flow path that allows gas to flow from the space inside the through holes to the space outside the annular spacer 92 when sandwiched between the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2.

(第一板状体)
第一板状体1は、電気化学反応部3a,3bを構成する電極層31と電解質層32と対極電極層33と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が、これに限られるものではない。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態において、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%以上含有すると好ましく、Niを0.05質量%以上1.0質量%以下含有すると好ましい。また、Cuを、下限値については、0.01質量%以上含有すると好ましく、0.10質量%以上含有するとより好ましく、0.20質量%以上含有すると更に好ましく、上限値については、1.0質量%以下含有すると好ましく、0.9質量%以下含有するとより好ましく、0.8質量%以下含有すると更に好ましい。また、Tiを、下限値については、0.05質量%以上含有すると好ましく、0.10質量%以上含有するとより好ましく、0.15質量%以上含有すると更に好ましく、上限値については、1.0質量%以下含有すると好ましく、0.9質量%以下含有するとより好ましく、0.8質量%以下含有すると更に好ましい。このようなFe-Cr系合金を用いると、コストを抑制しつつ、性能や耐久性、耐食性に優れた合金部材を第一板状体1として用いることができる。
(First plate-like body)
The first plate-like body 1 supports the electrode layer 31, the electrolyte layer 32, and the counter electrode layer 33 constituting the electrochemical reaction parts 3a and 3b, and plays a role in maintaining the strength of the electrochemical element A. As the material of the first plate-like body 1, a material having excellent electronic conductivity, heat resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance is used. For example, ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, nickel-based alloys, etc. are used, but are not limited thereto. In particular, an alloy containing chromium is preferably used. In this embodiment, the first plate-like body 1 uses an Fe-Cr alloy containing 18% by mass or more and 25% by mass or less of Cr, but it is preferable that it contains 0.05% by mass or more of Mn and 0.05% by mass or more and 1.0% by mass or less of Ni. In addition, the lower limit of Cu is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.10% by mass or more, and even more preferably 0.20% by mass or more, and the upper limit is preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.9% by mass or less, and even more preferably 0.8% by mass or less. In addition, the lower limit of Ti is preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.10% by mass or more, and even more preferably 0.15% by mass or more, and the upper limit is preferably 1.0% by mass or less, more preferably 0.9% by mass or less, and even more preferably 0.8% by mass or less. By using such an Fe-Cr alloy, an alloy member having excellent performance, durability, and corrosion resistance can be used as the first plate-shaped body 1 while suppressing costs.

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を有している(図7~図10、図14~図18及び図21参照)。本実施形態においては、電気化学反応部3a,3bが形成されている領域に気体通流許容部1Aが形成され、電気化学反応部3a,3bが形成されていない領域(2つの電気化学反応部3a,3b間の領域)には、気体通流許容部1Aが形成されていない。尚、この貫通孔11は、例えば、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。 The first plate-like body 1 is generally plate-like. It has a gas flow-permitting portion 1A having a number of through holes 11 that penetrate the front surface and the back surface (see Figs. 7 to 10, 14 to 18, and 21). In this embodiment, the gas flow-permitting portion 1A is formed in the area where the electrochemical reaction portions 3a and 3b are formed, and the gas flow-permitting portion 1A is not formed in the area where the electrochemical reaction portions 3a and 3b are not formed (the area between the two electrochemical reaction portions 3a and 3b). The through holes 11 can be formed in the first plate-like body 1 by, for example, mechanical, chemical, or optical drilling.

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。尚、第一板状体1に気体透過性を持たせるために、焼結金属や発泡金属などの多孔質金属を用いることも可能である。 The through holes 11 have the function of allowing gas to pass from the back surface to the front surface of the first plate-like body 1. 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. It is also possible to use a porous metal such as a sintered metal or a foamed metal to give the first plate-like body 1 gas permeability.

第一板状体1には、図21に示すように、その表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層12(金属酸化物膜)が設けられる。即ち、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。 As shown in FIG. 21, the first plate-shaped body 1 is provided with a metal oxide layer 12 (metal oxide film) as a diffusion suppression layer on its surface. 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、後述する電極層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。したがって、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。 When ferritic stainless steel is used for 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 the materials for the electrode layer 31 and electrolyte layer 32 described below. Therefore, the electrochemical element A is less likely to be damaged even when temperature cycles of low and high temperatures are repeated. This is preferable because it allows the realization of an electrochemical element A with excellent long-term durability.

(第二板状体)
第二板状体2は、内部流路A1となる凹部2cが形成され、第一板状体1と重ね合わされた状態で、第二板状体2の周囲と第一板状体1の周囲との接触部(以下、周縁部1aという)において溶接一体化されている(図3~図18参照)。尚、一体化するに際して、溶接に代え、接着、嵌合等といった他の手法を用いることができ、内部流路A1を外部と区画して形成できるのであれば、周縁部1a以外の部分を接合して一体化してもよい。
(Second plate-like body)
The second plate-like body 2 is formed with a recess 2c that becomes the internal flow path A1, and is integrated with the first plate-like body 1 by welding at the contact portion (hereinafter, referred to as the peripheral portion 1a) between the periphery of the second plate-like body 2 and the periphery of the first plate-like body 1 in a state where the second plate-like body 2 is overlapped with the first plate-like body 1 (see Figs. 3 to 18). Note that, in place of welding, other methods such as adhesion or fitting may be used for integration, and as long as the internal flow path A1 can be formed separately from the outside, the portions other than the peripheral portion 1a may be joined for integration.

第二板状体2は、耐熱性の金属材料で構成されている。尚、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と同様の金属材料であることが好ましい。 The second plate-like body 2 is made of a heat-resistant metal material. It is preferable that the second plate-like body 2 be made of the same metal material as the first plate-like body 1 from the viewpoints of reducing the difference in thermal expansion with the first plate-like body 1 and ensuring the reliability of joining such as welding.

第二板状体2は、内部流路A1の構成と密接に関連しているため、以下、第二板状体2の詳細な構成については、内部流路A1の構成と関連付けながら説明する。 The second plate-like body 2 is closely related to the configuration of the internal flow path A1, so the detailed configuration of the second plate-like body 2 will be described below in relation to the configuration of the internal flow path A1.

(第二板状体及び内部流路の構成)
本実施形態において、内部流路A1は、第一ガスの通流方向に向けて(即ち、+X方向から-x方向に向けて)、分配部A12、供給調整部A14、供給バッファ部A15、複数の副流路A11、排出バッファ部A16、排出調整部A17及び合流部A13を有している。この内部流路A1は、第一貫通部41が設けられている側(供給路4側)と第二貫通部51が設けられている側(排出路5側)とは対称の構造である。尚、図3~図10には、供給路4側の断面図を示した。図11~図18には、排出路5側の断面図を示した。
(Configuration of the second plate-like body and the internal flow passage)
In this embodiment, the internal flow path A1 has a distribution section A12, a supply adjustment section A14, a supply buffer section A15, a plurality of sub-flow paths A11, a discharge buffer section A16, a discharge adjustment section A17, and a junction section A13 in the flow direction of the first gas (i.e., from the +X direction to the -x direction). The internal flow path A1 has a symmetrical structure on the side where the first through-portion 41 is provided (the supply path 4 side) and the side where the second through-portion 51 is provided (the discharge path 5 side). Note that Figs. 3 to 10 show cross-sectional views of the supply path 4 side. Figs. 11 to 18 show cross-sectional views of the discharge path 5 side.

分配部A12は、各電気化学素子Aに対応して設けられている。分配部A12は、供給路4側に設けられており、各電気化学素子Aに第一ガスを供給するためのバッファ部である。分配部A12は、第一ガスの通流方向(X方向)において、複数の副流路A11の上流側に設けられている。具体的に、分配部A12は、周縁部1aよりも積層方向の下方(-Z方向)に凹むように第二板状体2を加工することで形成されている。尚、図1や図22に示すように、第一貫通部41は、分配部A12における、通流方向及びその交差方向(Y方向)の概ね中央部に位置している。つまり、この位置に第一貫通部41となる第一板状体1及び第二板状体2の貫通孔が形成されている。 The distribution section A12 is provided corresponding to each electrochemical element A. The distribution section A12 is provided on the supply path 4 side and is a buffer section for supplying the first gas to each electrochemical element A. The distribution section A12 is provided on the upstream side of the multiple sub-flow paths A11 in the flow direction (X direction) of the first gas. Specifically, the distribution section A12 is formed by processing the second plate-like body 2 so that it is recessed downward in the stacking direction (-Z direction) from the peripheral edge portion 1a. As shown in Figures 1 and 22, the first through portion 41 is located approximately in the center of the distribution section A12 in the flow direction and its intersecting direction (Y direction). In other words, the through holes of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 that become the first through portion 41 are formed at this position.

また、分配部A12は、上面視において、図1等に示すようにY方向に長くなっている。そして、分配部A12のY方向の長さは、Y方向に間隔をおいて平行に並んで配置されている後述の複数の副流路A11の領域のY方向の長さに対応している。 In addition, the distribution section A12 is long in the Y direction when viewed from above, as shown in FIG. 1 etc. The length in the Y direction of the distribution section A12 corresponds to the length in the Y direction of the region of multiple sub-flow paths A11 (described below) that are arranged in parallel and spaced apart in the Y direction.

第一ガスが通流する複数の副流路A11は、板状支持体10の板状面に沿う方向において第1方向(X方向)に延び、且つ、板状支持体10の板状面に沿う方向において第1方向(X方向)と交差する第2方向(Y方向)に離隔して第1方向(X方向)に延びている。具体的に、複数の副流路A11は、図1や図22等に示すように、通流方向(X方向)に沿って、後述する供給調整部A14の近傍から排出調整部A17の近傍まで延びている。そして、複数の副流路A11は、Y方向に間隔をおいて平行に並んで配置されている。第二板状体2は、図1や図2、図7~図10等に示すように、複数の副流路A11それぞれを形成する複数の副流路形成部80と、隣接する副流路形成部80の間に設けられ、隣接する副流路A11それぞれを仕切る複数の仕切部81とを有している。図14や図21等に示すように、副流路形成部80は底面を有する凹状に形成されており、仕切部81の上面は副流路形成部80の底面よりも積層方向の上方に位置している。そして、仕切部81の上面は第一板状体1の下面に当接している。これにより、各副流路A11が分離されており、各副流路A11内それぞれを第一ガスが通流方向に沿って通流する。 The plurality of sub-flow paths A11 through which the first gas flows extend in a first direction (X direction) along the plate surface of the plate support 10, and extend in the first direction (X direction) at a distance in a second direction (Y direction) intersecting the first direction (X direction) along the plate surface of the plate support 10. Specifically, as shown in FIG. 1 and FIG. 22, the plurality of sub-flow paths A11 extend along the flow direction (X direction) from the vicinity of the supply adjustment section A14 described later to the vicinity of the discharge adjustment section A17. The plurality of sub-flow paths A11 are arranged in parallel at intervals in the Y direction. As shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7 to FIG. 10, the second plate-like body 2 has a plurality of sub-flow path forming sections 80 that form each of the plurality of sub-flow paths A11, and a plurality of partition sections 81 that are provided between adjacent sub-flow path forming sections 80 and partition each of the adjacent sub-flow paths A11. As shown in FIG. 14, FIG. 21, etc., the sub-flow passage forming portion 80 is formed in a concave shape having a bottom surface, and the upper surface of the partition portion 81 is located above the bottom surface of the sub-flow passage forming portion 80 in the stacking direction. The upper surface of the partition portion 81 abuts against the lower surface of the first plate-like body 1. This separates each sub-flow passage A11, and the first gas flows through each sub-flow passage A11 along the flow direction.

本実施形態では、図22に示すように、Y方向(通流方向と交差する交差方向)において、仕切部81の長さL3が副流路形成部80の長さL4より小さい(L3<L4)。L3<L4の場合、図21等に示すように、仕切部81の上面と第一板状体1の下面との当接面積を小さくできる。つまり、気体通流許容部1Aが形成された第一板状体1に面する副流路A11の空間を大きくでき、副流路A11から電気化学反応部3a,3bに向かう第一ガスの量を多くできる。 In this embodiment, as shown in FIG. 22, in the Y direction (the direction intersecting the flow direction), the length L3 of the partition 81 is smaller than the length L4 of the secondary flow path forming portion 80 (L3<L4). When L3<L4, as shown in FIG. 21, etc., the contact area between the upper surface of the partition 81 and the lower surface of the first plate-like body 1 can be reduced. In other words, the space of the secondary flow path A11 facing the first plate-like body 1 in which the gas flow permitting portion 1A is formed can be increased, and the amount of the first gas flowing from the secondary flow path A11 toward the electrochemical reaction portions 3a, 3b can be increased.

図1や図6~図10等に示すように、第二板状体2は、通流方向に沿う方向(X方向)において、分配部A12と複数の副流路A11との間に供給調整部A14を有している。供給調整部A14は、分配部A12に第一ガスを一時的に貯留させるとともに、分配部A12から複数の副流路A11への第一ガスの供給を制限する。 As shown in FIG. 1 and FIG. 6 to FIG. 10, the second plate-like body 2 has a supply adjustment section A14 between the distribution section A12 and the multiple sub-flow paths A11 in the direction along the flow direction (X direction). The supply adjustment section A14 temporarily stores the first gas in the distribution section A12 and limits the supply of the first gas from the distribution section A12 to the multiple sub-flow paths A11.

供給調整部A14は、複数の供給通過部A14a及び複数の供給阻止部A14bを有している。供給通過部A14aは、第一ガスを分配部A12から複数の副流路A11に通過させる。供給阻止部A14bは、第一ガスの分配部A12から複数の副流路A11への通過を阻止する。図6等に示すように、供給阻止部A14bの上面は供給通過部A14aの上面よりも積層方向の上方に位置しており、第一板状体1の下面に当接している。よって、分配部A12内の第一ガスは、供給阻止部A14bによって通流方向への通流が阻止される一方、供給通過部A14aを介して通流方向に通流し、複数の副流路A11へ流れる。 The supply adjustment section A14 has a plurality of supply passages A14a and a plurality of supply blocking sections A14b. The supply passages A14a pass the first gas from the distribution section A12 to the plurality of sub-flow paths A11. The supply blocking sections A14b block the passage of the first gas from the distribution section A12 to the plurality of sub-flow paths A11. As shown in FIG. 6, the upper surface of the supply blocking section A14b is located above the upper surface of the supply passages A14a in the stacking direction and abuts against the lower surface of the first plate-like body 1. Therefore, the first gas in the distribution section A12 is blocked from flowing in the flow direction by the supply blocking section A14b, while flowing in the flow direction through the supply passages A14a and flowing to the plurality of sub-flow paths A11.

本実施形態では、各供給阻止部A14bは、例えば図1や図22に示すように概ね長方形状に形成されている。そして、長方形状の各供給阻止部A14bは、長辺がY方向に沿うようにY方向に沿って配置されている。隣接する供給阻止部A14bの間に供給通過部A14aが設けられている。つまり、供給通過部A14aは、隣接する供給阻止部A14bの短辺が対向する区間に設けられている。 In this embodiment, each supply blocking portion A14b is formed in a generally rectangular shape, for example as shown in FIG. 1 or FIG. 22. Each rectangular supply blocking portion A14b is arranged along the Y direction with its long side aligned along the Y direction. A supply passing portion A14a is provided between adjacent supply blocking portions A14b. In other words, the supply passing portion A14a is provided in a section where the short sides of adjacent supply blocking portions A14b face each other.

また、通流方向(X方向)において、供給通過部A14aには、複数の仕切部81のうちいずれかの仕切部81が対応して配置されている。また、通流方向において、供給阻止部A14bには、複数の副流路A11のうち少なくとも1つの副流路A11が対応して配置されている。具体的に、本実施形態においては、複数の供給阻止部A14bのうち2つは、分配部A12の+Y方向の端部及び-Y方向の端部に対応する位置にそれぞれ設けられている。 In addition, in the flow direction (X direction), one of the partitions 81 is arranged to correspond to the supply passage section A14a. In addition, in the flow direction, at least one of the sub-flow paths A11 is arranged to correspond to the supply blocking section A14b. Specifically, in this embodiment, two of the multiple supply blocking sections A14b are provided at positions corresponding to the +Y direction end and the -Y direction end of the distribution section A12, respectively.

ここで、第一ガスは、分配部A12から供給通過部A14aを経て複数の副流路A11に導かれる。上記構成によれば、通流方向において供給通過部A14aにはいずれかの仕切部81が対応して配置されているため、分配部A12から供給通過部A14aに押し出された第一ガスは、通流方向に沿って進むことで積層方向の上方に突出している仕切部81に衝突する。仕切部81との衝突によって、第一ガスは通流方向と交差する交差方向に進む。つまり、分配部A12から供給通過部A14aを経て通流してきた第一ガスは、即座に複数の副流路A11に導入されるのではなく、副流路A11の手前で仕切部81と衝突して交差方向に進む。更に、交差方向に進んだ第一ガスは、積層方向の上方に突出している供給阻止部A14bによって分配部A12に戻らず、供給調整部A14と複数の副流路A11との間で一時的に貯留される。その後、第一ガスは、分配部A12からの押し出しに沿って、複数の副流路形成部80が形成する複数の副流路A11に導入される。尚、第一ガスが供給調整部A14と複数の副流路A11との間で一時的に貯留される領域が、供給バッファ部A15である。 Here, the first gas is guided from the distribution section A12 through the supply passage section A14a to the multiple sub-flow paths A11. According to the above configuration, since any of the partitions 81 is arranged corresponding to the supply passage section A14a in the flow direction, the first gas pushed out from the distribution section A12 to the supply passage section A14a collides with the partition section 81 protruding upward in the stacking direction by proceeding along the flow direction. Due to the collision with the partition section 81, the first gas proceeds in a cross direction intersecting with the flow direction. In other words, the first gas flowing from the distribution section A12 through the supply passage section A14a is not immediately introduced into the multiple sub-flow paths A11, but collides with the partition section 81 just before the sub-flow path A11 and proceeds in the cross direction. Furthermore, the first gas that proceeds in the cross direction does not return to the distribution section A12 due to the supply blocking section A14b protruding upward in the stacking direction, and is temporarily stored between the supply adjustment section A14 and the multiple sub-flow paths A11. The first gas is then introduced into the multiple sub-flow paths A11 formed by the multiple sub-flow path forming parts 80 along the extrusion from the distribution part A12. The area where the first gas is temporarily stored between the supply adjustment part A14 and the multiple sub-flow paths A11 is the supply buffer part A15.

また、通流方向において、供給阻止部A14bは、第一貫通部41に対応して設けられている。これにより、第一貫通部41から分配部A12に導入された第一ガスが即座に複数の副流路A11に向かうのを抑制できる。よって、分配部A12に第一ガスを一時的に貯留可能である。 In addition, in the flow direction, the supply blocking section A14b is provided corresponding to the first through-hole 41. This makes it possible to prevent the first gas introduced from the first through-hole 41 into the distribution section A12 from immediately moving toward the multiple sub-flow paths A11. Therefore, the first gas can be temporarily stored in the distribution section A12.

図22に示すように、Y方向において、供給阻止部A14bの長さL2は供給通過部A14aの長さL1よりも大きい(L2>L1)。また、供給通過部A14aの長さL1は、仕切部81の長さL3より小さいのが好ましい(L1<L3)。これにより、分配部A12から供給通過部A14aを介して押し出された第一ガスを仕切部81の+X方向側の端部に衝突させることでき、後述の供給バッファ部A15に一時的に貯留させることができる。L1とL2との関係は、例えば、分配部A12に単位時間に供給される第一ガスの量、複数の副流路A11に単位時間に供給すべき第一ガスの量、供給阻止部A14bの数、仕切部81のY方向の長さL3、副流路A11のY方向の長さL4等によって決まる。 22, in the Y direction, the length L2 of the supply blocking portion A14b is greater than the length L1 of the supply passage portion A14a (L2>L1). In addition, it is preferable that the length L1 of the supply passage portion A14a is less than the length L3 of the partition portion 81 (L1<L3). This allows the first gas pushed out from the distribution portion A12 through the supply passage portion A14a to collide with the end portion on the +X direction side of the partition portion 81 and to be temporarily stored in the supply buffer portion A15 described later. The relationship between L1 and L2 is determined, for example, by the amount of the first gas supplied to the distribution portion A12 per unit time, the amount of the first gas to be supplied to the multiple sub-flow paths A11 per unit time, the number of supply blocking portions A14b, the length L3 of the partition portion 81 in the Y direction, the length L4 of the sub-flow paths A11 in the Y direction, etc.

尚、供給阻止部A14b及び供給通過部A14aの数や配置、形状は、これらの機能が発揮される態様であれば、どのような態様であってもよい。 The number, arrangement, and shape of the supply blocking portions A14b and supply passing portions A14a may be any configuration as long as these functions are fulfilled.

このように、上記構成の供給調整部A14の供給阻止部A14bは、分配部A12と複数の副流路A11との間に設けられており、分配部A12から複数の副流路A11への第一ガスの流れの障壁となる。よって、分配部A12から複数の副流路A11に通流する際の第一ガスの圧力損失が高くなり、分配部A12に導入された第一ガスは分配部A12に充満するように行き亘り、一時的に貯留される。そのため、分配部A12内全体が概ね均一な圧力(均圧)となる。つまり、分配部A12と複数の副流路A11それぞれとの差圧が略同一となる。その上で、分配部A12から供給通過部A14aを介して複数の副流路A11に第一ガスが供給されるため、第一ガスが各副流路A11に概ね均圧な状態で供給される。これにより、各副流路A11間において、通流方向に沿う第一ガスの流れ分布(流速、流量及び圧力等)が概ね均一となる。また、第一ガスは、分配部A12から複数の副流路A11に分かれて流れる。このように複数の流路に分かれて流れることによる整流作用によっても、第一ガスは、複数の流路が形成されていない内部流路を流れる場合に比べて、流れ分布(流速、流量及び圧力等)が概ね一定となる。これにより、電気化学反応部3a,3bにおいて、第一ガスが不足する部分と、過剰に第一ガスが通流される部分との差を小さくし、電気化学素子A全体における第一ガスの利用率を向上して電気化学反応の反応効率を向上できる。 In this way, the supply blocking section A14b of the supply adjustment section A14 of the above configuration is provided between the distribution section A12 and the multiple sub-flow paths A11, and serves as a barrier to the flow of the first gas from the distribution section A12 to the multiple sub-flow paths A11. Therefore, the pressure loss of the first gas increases when the first gas flows from the distribution section A12 to the multiple sub-flow paths A11, and the first gas introduced into the distribution section A12 spreads so as to fill the distribution section A12 and is temporarily stored. Therefore, the entire distribution section A12 has a generally uniform pressure (equal pressure). In other words, the differential pressure between the distribution section A12 and each of the multiple sub-flow paths A11 is approximately the same. On top of that, the first gas is supplied from the distribution section A12 to the multiple sub-flow paths A11 through the supply passage section A14a, so that the first gas is supplied to each sub-flow path A11 in a generally uniform pressure state. As a result, the flow distribution (flow velocity, flow rate, pressure, etc.) of the first gas along the flow direction between each sub-flow path A11 becomes generally uniform. In addition, the first gas is divided from the distribution section A12 and flows into multiple sub-flow paths A11. Due to the rectification effect of being divided into multiple flow paths in this way, the flow distribution (flow velocity, flow rate, pressure, etc.) of the first gas is generally constant compared to when the first gas flows through an internal flow path in which multiple flow paths are not formed. This reduces the difference between the parts of the electrochemical reaction sections 3a and 3b where the first gas is insufficient and the parts where the first gas flows in excess, improving the utilization rate of the first gas in the entire electrochemical element A and improving the reaction efficiency of the electrochemical reaction.

次に、合流部A13及び排出調整部A17について説明する。合流部A13及び排出調整部A17は、それぞれ分配部A12及び供給調整部A14と同様の構成である。つまり、合流部A13は、排出路5側に設けられており、複数の副流路A11を通流した第一ガスを排出するためのバッファ部である。合流部A13は、第一ガスの通流方向において、内部流路A1のうち複数の副流路A11の下流側に設けられている。尚、図1や図22に示すように、第二貫通部51は、合流部A13における、通流方向及びその交差方向の概ね中央部に位置している。つまり、この位置に第二貫通部51となる第一板状体1及び第二板状体2の貫通孔が形成されている。 Next, the confluence section A13 and the discharge adjustment section A17 will be described. The confluence section A13 and the discharge adjustment section A17 are configured in the same manner as the distribution section A12 and the supply adjustment section A14, respectively. That is, the confluence section A13 is provided on the discharge path 5 side, and is a buffer section for discharging the first gas that has flowed through the multiple sub-flow paths A11. The confluence section A13 is provided downstream of the multiple sub-flow paths A11 of the internal flow path A1 in the flow direction of the first gas. As shown in FIG. 1 and FIG. 22, the second penetration section 51 is located approximately in the center of the confluence section A13 in the flow direction and the crossing direction. That is, the through holes of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 that become the second penetration section 51 are formed at this position.

また、合流部A13は、上面視において、図1等に示すようにY方向に長くなっている。そして、合流部A13のY方向の長さは、Y方向に間隔をおいて平行に並んで配置されている複数の副流路A11の領域のY方向の長さに対応している。 In addition, the junction A13 is long in the Y direction when viewed from above, as shown in FIG. 1 etc. The length in the Y direction of the junction A13 corresponds to the length in the Y direction of the region of the multiple sub-flow paths A11 that are arranged in parallel and spaced apart in the Y direction.

第二板状体2は、図1や図13、図15~図18に示すように、通流方向に沿う方向(X方向)において、複数の副流路A11と合流部A13との間に排出調整部A17を有している。排出調整部A17は、複数の副流路A11から合流部A13への第一ガスの排出を制限する。 As shown in Figures 1, 13, and 15 to 18, the second plate-like body 2 has an exhaust adjustment section A17 between the multiple sub-flow paths A11 and the junction A13 in the direction along the flow direction (X direction). The exhaust adjustment section A17 limits the exhaust of the first gas from the multiple sub-flow paths A11 to the junction A13.

排出調整部A17は、複数の排出通過部A17a及び複数の排出阻止部A17bを有している。排出通過部A17aは、第一ガスを複数の副流路A11から合流部A13に通過させる。排出阻止部A17bは、第一ガスの複数の副流路A11から合流部A13への通過を阻止する。図13等に示すように、排出阻止部A17bの上面は排出通過部A17aの上面よりも積層方向の上方に位置しており、第一板状体1の下面に当接している。よって、複数の副流路A11内の第一ガスは、排出阻止部A17bによって通流方向への通流が阻止される一方、排出通過部A17aを介して通流方向に通流し、合流部A13へ流れる。 The discharge adjustment section A17 has a plurality of discharge passages A17a and a plurality of discharge blocking sections A17b. The discharge passages A17a allow the first gas to pass from the plurality of sub-flow paths A11 to the junction A13. The discharge blocking sections A17b block the passage of the first gas from the plurality of sub-flow paths A11 to the junction A13. As shown in FIG. 13, the upper surface of the discharge blocking section A17b is located above the upper surface of the discharge passages A17a in the stacking direction and abuts against the lower surface of the first plate-like body 1. Therefore, the first gas in the plurality of sub-flow paths A11 is prevented from passing in the flow direction by the discharge blocking sections A17b, while passing in the flow direction through the discharge passages A17a and flowing to the junction A13.

本実施形態では、排出阻止部A17bは、供給阻止部A14bと同様に、例えば図1や図22に示すように概ね長方形状に形成されている。そして、長方形状の各排出阻止部A17bは、長辺がY方向に沿うようにY方向に沿って配置されている。隣接する排出阻止部A17bの間に排出通過部A17aが設けられている。つまり、排出通過部A17aは、隣接する排出阻止部A17bの短辺が対向する区間に設けられている。 In this embodiment, the discharge blocking portion A17b is formed in a generally rectangular shape, as shown in, for example, FIG. 1 and FIG. 22, similar to the supply blocking portion A14b. Each rectangular discharge blocking portion A17b is arranged along the Y direction with its long side aligned along the Y direction. A discharge passing portion A17a is provided between adjacent discharge blocking portions A17b. In other words, the discharge passing portion A17a is provided in a section where the short sides of adjacent discharge blocking portions A17b face each other.

通流方向において、排出阻止部A17bには、複数の副流路A11のうち少なくとも1つの副流路A11が対応して配置されている。また、通流方向において、排出通過部A17aには、複数の仕切部81のうちいずれかの仕切部81が対応して配置されている。 In the flow direction, at least one of the multiple sub-flow paths A11 is arranged to correspond to the discharge blocking portion A17b. Also, in the flow direction, one of the multiple partition portions 81 is arranged to correspond to the discharge passing portion A17a.

上記構成によれば、複数の副流路A11から押し出された第一ガスは、通流方向に沿って進むことで積層方向の上方に突出している排出阻止部A17bに衝突する。排出阻止部A17bとの衝突によって、第一ガスは通流方向と交差する交差方向に進む。つまり、複数の副流路A11から通流してきた第一ガスは、即座に合流部A13に導入されるのではなく、合流部A13の手前で排出阻止部A17bと衝突して交差方向に進む。その後、第一ガスは、複数の副流路A11からの押し出しに沿って、排出通過部A17aを通過して合流部A13に導入される。尚、第一ガスが複数の副流路A11と排出調整部A17との間で一時的に貯留される領域が、排出バッファ部A16である。 According to the above configuration, the first gas pushed out from the multiple sub-flow paths A11 travels along the flow direction and collides with the discharge blocking portion A17b protruding upward in the stacking direction. Due to the collision with the discharge blocking portion A17b, the first gas travels in a cross direction that crosses the flow direction. In other words, the first gas flowing from the multiple sub-flow paths A11 is not immediately introduced into the junction A13, but collides with the discharge blocking portion A17b just before the junction A13 and travels in the cross direction. The first gas then passes through the discharge passing portion A17a along the extrusion from the multiple sub-flow paths A11 and is introduced into the junction A13. The area in which the first gas is temporarily stored between the multiple sub-flow paths A11 and the discharge adjustment portion A17 is the discharge buffer portion A16.

また、通流方向において、排出阻止部A17bは、第二貫通部51に対応して設けられている。これにより、複数の副流路A11を通流した第一ガスが即座に合流部A13に導入され、第二貫通部51から排出されるのを抑制できる。よって、複数の副流路A11に第一ガスを一時的に貯留可能である。 In addition, in the flow direction, the discharge prevention section A17b is provided corresponding to the second through-hole 51. This allows the first gas that has flowed through the multiple sub-flow paths A11 to be immediately introduced into the junction A13, and prevents it from being discharged from the second through-hole 51. Therefore, the first gas can be temporarily stored in the multiple sub-flow paths A11.

図22に示すように、Y方向において、排出阻止部A17bの長さL12は排出通過部A17aの長さL11よりも大きい(L12>L11)。また、排出阻止部A17bの長さL12は副流路形成部80の長さL4より大きいのが好ましい(L12>L3)。これにより、複数の副流路A11から合流部A13に向かう第一ガスを排出阻止部A17bに衝突させることでき、後述の排出バッファ部A16に一時的に貯留させることができる。L11とL12との関係は、例えば、複数の副流路A11に単位時間に供給される第一ガスの量、合流部A13から単位時間に排出すべき第一ガスの量、排出阻止部A17bの数、仕切部81のY方向の長さL3、副流路A11のY方向の長さL4等によって決まる。 22, in the Y direction, the length L12 of the discharge blocking portion A17b is greater than the length L11 of the discharge passing portion A17a (L12>L11). In addition, it is preferable that the length L12 of the discharge blocking portion A17b is greater than the length L4 of the secondary flow passage forming portion 80 (L12>L3). This allows the first gas traveling from the multiple secondary flow passages A11 toward the junction A13 to collide with the discharge blocking portion A17b and temporarily store it in the discharge buffer portion A16 described below. The relationship between L11 and L12 is determined, for example, by the amount of the first gas supplied to the multiple secondary flow passages A11 per unit time, the amount of the first gas to be discharged from the junction A13 per unit time, the number of discharge blocking portions A17b, the length L3 of the partition portion 81 in the Y direction, the length L4 of the secondary flow passage A11 in the Y direction, etc.

尚、排出阻止部A17b及び排出通過部A17aの数や配置、形状は、これらの機能が発揮される態様であれば、どのような態様であってもよい。 The number, arrangement, and shape of the discharge blocking portions A17b and the discharge passing portions A17a may be any configuration as long as these functions are fulfilled.

このように、上記構成の排出調整部A17の排出阻止部A17bは、複数の副流路A11と合流部A13との間に設けられており、副流路A11から合流部A13への第一ガスの流れの障壁となる。よって、複数の副流路A11から合流部A13に通流する際の第一ガスの圧力損失が高くなる。そのため、複数の副流路A11に導入された第一ガスは、複数の副流路A11から即座に合流部A13に導入されにくく、複数の副流路A11に充満するように行き亘る。これにより、各副流路A11間において、通流方向に沿う第一ガスの流れ分布(流速、流量及び圧力等)を概ね均一にできる。また、第一ガスが複数の副流路A11に充満するように行き亘るため、複数の副流路A11内において電気化学反応が十分に行われる。これらにより、電気化学反応の反応効率を向上できる。 In this way, the discharge blocking section A17b of the discharge adjustment section A17 of the above configuration is provided between the multiple sub-flow paths A11 and the junction A13, and serves as a barrier to the flow of the first gas from the sub-flow paths A11 to the junction A13. Therefore, the pressure loss of the first gas increases when it flows from the multiple sub-flow paths A11 to the junction A13. Therefore, the first gas introduced into the multiple sub-flow paths A11 is not easily introduced into the junction A13 immediately from the multiple sub-flow paths A11, and spreads to fill the multiple sub-flow paths A11. This makes it possible to make the flow distribution (flow speed, flow rate, pressure, etc.) of the first gas along the flow direction between each sub-flow path A11 roughly uniform. In addition, since the first gas spreads to fill the multiple sub-flow paths A11, the electrochemical reaction is sufficiently carried out in the multiple sub-flow paths A11. As a result, the reaction efficiency of the electrochemical reaction can be improved.

本実施形態における第二板状体2には、図21に示すように、金属酸化物層2d(金属酸化物膜)が形成されている。金属酸化物層2dは種々の手法により形成されうるが、第二板状体2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に形成された金属酸化物層12と同様の手法によって形成しても良い。更に、金属酸化物層12と同様に、導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。 As shown in FIG. 21, the second plate-like body 2 in this embodiment has a metal oxide layer 2d (metal oxide film) formed thereon. The metal oxide layer 2d can be formed by various methods, but a method of oxidizing the surface of the second plate-like body 2 to form a metal oxide is preferably used. It may also be formed by the same method as the metal oxide layer 12 formed on the first plate-like body 1. Furthermore, like the metal oxide layer 12, it may contain a highly conductive spinel phase, etc.

図1や図19等に示すように、本実施形態では、2つの電気化学反応部3a,3bの間において、第二板状体2における各仕切部81の上面と、これに接する第一板状体1の下面とが接合され、板状支持体10の厚さ方向において内部流路A1間を電気的に接続する5つの接続部7が形成されている。 As shown in Figures 1 and 19, in this embodiment, between the two electrochemical reaction sections 3a, 3b, the upper surface of each partition 81 in the second plate-like body 2 is joined to the lower surface of the first plate-like body 1 in contact therewith, and five connection parts 7 are formed that electrically connect the internal flow paths A1 in the thickness direction of the plate-like support 10.

接続部7は、電気化学素子Aを製造する際に、接続部7を形成する接続部形成工程を行うことで形成し、接続部形成工程には、溶接(溶着)工程又は焼成工程の少なくとも一方が含まれる。本実施形態においては、レーザー溶接(溶着)によって接続部7を形成している。具体的には、図20に示すように、第一板状体1の一部をレーザー照射によって溶かし、溶かした溶金Nによって第二板状体2における各仕切部81の一部と接合する。尚、図20中において、第一板状体1及び第二板状体2の両面に形成されている金属酸化物層12,2dは、当該図20以外の図に示した第一板状体1及び第二板状体2の両面にも形成されているものであるが、便宜上図示を省略している。 The connection portion 7 is formed by performing a connection portion forming process for forming the connection portion 7 during the manufacture of the electrochemical element A, and the connection portion forming process includes at least one of a welding (adhesion) process and a sintering process. In this embodiment, the connection portion 7 is formed by laser welding (adhesion). Specifically, as shown in FIG. 20, a part of the first plate-like body 1 is melted by laser irradiation, and the molten metal N is used to join the first plate-like body 1 to a part of each partition portion 81 in the second plate-like body 2. In FIG. 20, the metal oxide layers 12, 2d formed on both sides of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 are also formed on both sides of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 shown in figures other than FIG. 20, but are omitted from the illustration for convenience.

このように、接続部7を形成することで、当該接続部7が対極電極層33と第二板状体2との間で電流が流れる際の導電パスと機能する。したがって、接続部7が形成されていない場合であれば、対極電極層33と第二板状体2との間で電流が流れる際に、第一板状体1と第二板状体2とが溶接された周縁部1aのみが導電パスとなるが、接続部7が導電パスとして機能することで、周縁部1aのみが導電パスである場合と比較して、電気化学素子A内部の導電抵抗を小さくできる。即ち、従来よりも性能が高い電気化学素子Aが実現できる。 In this way, by forming the connection part 7, the connection part 7 functions as a conductive path when a current flows between the counter electrode layer 33 and the second plate-like body 2. Therefore, if the connection part 7 is not formed, when a current flows between the counter electrode layer 33 and the second plate-like body 2, only the peripheral part 1a where the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 are welded becomes a conductive path, but by the connection part 7 functioning as a conductive path, the conductive resistance inside the electrochemical element A can be reduced compared to when only the peripheral part 1a is a conductive path. In other words, an electrochemical element A with higher performance than conventional ones can be realized.

更に、接続部7は、導電ビアを形成したような場合と比較して、構造がシンプルである。また、導電ビアの形成に必要な貫通孔の形成や貫通孔への導電性部材の埋め込みといった処理も不要である。したがって、耐久性の低下や性能の劣化が起こり難く、電気化学素子Aの製造コストも抑えられる。 Furthermore, the connection portion 7 has a simpler structure than when a conductive via is formed. In addition, processes such as forming through holes, which are necessary for forming conductive vias, and filling the through holes with conductive material are not required. Therefore, a decrease in durability and deterioration of performance are unlikely to occur, and the manufacturing costs of the electrochemical element A can be reduced.

(電気化学反応部)
次に、電気化学反応部3a,3bについて、図7~図10、図14~図18及び図21を参照して説明する。尚、後述する中間層34及び反応防止層35については、図7~図10及び図14~図18では図示を省略した。
(Electrochemical reaction section)
Next, the electrochemical reaction units 3a and 3b will be described with reference to Figures 7 to 10, 14 to 18, and 21. Note that an intermediate layer 34 and a reaction prevention layer 35, which will be described later, are not shown in Figures 7 to 10 and 14 to 18.

(電極層)
電極層31は、図7~図10、図14~図18及び図21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、1~100μm程度、好ましくは、5~50μm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。また、第一板状体1における貫通孔11が設けられた領域は、その全体が電極層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は、電極層31に面して設けられている。
(Electrode Layer)
As shown in Figs. 7 to 10, 14 to 18 and 21, the electrode layer 31 can be provided in a thin layer on the front surface of the first plate-like body 1 in a region larger than the region where the through holes 11 are provided. When the electrode layer 31 is a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 to 100 µm, preferably 5 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. In addition, the region where the through holes 11 are provided in the first plate-like body 1 is entirely covered with the electrode layer 31. That is, the through holes 11 are formed inside the region 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.

また、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。即ち、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。尚、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 multiple pores inside and on its surface 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 density is the proportion 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、CuO-CeO、Cu-CeO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、CeOを複合材の骨材と呼ぶことができる。尚、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-CeO 2 , or Cu-CeO 2 . In these examples, GDC, YSZ, and CeO 2 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 a firing process 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. This 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, the use of a low-temperature firing method is even more preferable because it makes it easier to handle the raw materials.

また、電極層31は、サーメット材の骨材の含有比、緻密度、及び強度が当該電極層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されていてもよい。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 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 adjacent to the electrolyte layer 32 (upper portion) compared to the portion adjacent to the first plate-like body 1 (lower portion) of the electrode layer 31.

(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、1~100μm程度、好ましくは2~50μm程度、より好ましくは4~25μm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 in 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 to 100 μm, preferably about 2 to 50 μm, and more preferably about 4 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、電極層31と同様の手法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 the same method as the electrode layer 31. By using these film formation processes that can be used in the low temperature range, the intermediate layer 34 can be obtained without firing at a high temperature range, for example, above 1100°C. 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 it is possible to realize an electrochemical element A with excellent durability. Furthermore, using a low-temperature firing method is even more preferable because it makes it easier to handle the raw materials.

中間層34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く、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34は、電気化学素子Aへの適用に適している。 The intermediate layer 34 preferably has oxygen ion (oxide ion) conductivity, and more preferably has mixed conductivity of oxygen ions (oxide ions) and electrons. An intermediate layer 34 having these properties is suitable for application to the electrochemical element A.

(電解質層)
図7~図10、図14~図18及び図21に示すように、電解質層32は、電極層31及び中間層34を覆った状態で、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Aを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)
7 to 10, 14 to 18, and 21, the electrolyte layer 32 is formed in a thin layer state on the intermediate layer 34, covering the electrode layer 31 and the intermediate layer 34. It may also 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 A can be made to have excellent robustness as a whole.

また、電解質層32は、図7や図14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も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 Figs. 7 and 14, 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 holes 11 are provided. In other words, the through holes 11 are 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及び中間層34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。尚、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及び中間層34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 intermediate layer 34 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 through the through hole 11 from the back side of the first plate-like body 1 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 intermediate layer 34 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, and a highly efficient SOFC system can be constructed in which the heat generated in the SOFC cell stack is used to reform the raw fuel gas.

電解質層32は、電極層31と同様の手法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 the same method as the electrode layer 31. By using these film formation processes that can be used in the low temperature range, a dense electrolyte layer 32 with high airtightness and gas barrier properties can be obtained without using firing at high temperatures, for example, exceeding 1100°C. This makes it possible to suppress damage to the first plate-like body 1 and to 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. In particular, using a low-temperature firing method or a spray coating method is preferable because it allows the realization of a low-cost element. Furthermore, using a spray coating method is even more preferable because it makes it easy to obtain a dense electrolyte layer 32 with high airtightness and gas barrier properties at a low temperature.

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、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 layers 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)
図21に示すように、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、1~100μm程度、好ましくは2~50μm程度、より好ましくは3~15μm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。
(Reaction prevention layer)
21, 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 formed as a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 to 100 μm, preferably about 2 to 50 μm, and more preferably about 3 to 15 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of expensive reaction prevention layer material used, thereby reducing costs, while ensuring sufficient performance.

反応防止層35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及び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。尚、Sm、Gd及び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。 The material of the reaction prevention layer 35 may be any material capable of preventing a reaction between the components of the electrolyte layer 32 and the components of the counter electrode layer 33, and may be, for example, a ceria-based material. 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 material contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd, and Y, and that 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.

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、電極層31形成時と同様の手法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 reaction prevention layer 35 is preferably formed using an appropriate method that can be performed at a processing temperature of 1100°C or less, since this 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 reaction prevention layer 35 can be formed using an appropriate method similar to that used for forming the electrode layer 31. In particular, it is preferable to use a low-temperature firing method or a spray coating method, since this allows for the realization of a low-cost element. Furthermore, the low-temperature firing method is even more preferable, since it makes it easier to handle the raw materials.

(対極電極層)
図7~図10、図14~図18及び図21に示すように、対極電極層33を、電解質層32又は反応防止層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、1~100μm程度、好ましくは、5~50μm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。
(Counter electrode layer)
7 to 10, 14 to 18, and 21, the counter electrode layer 33 can be formed as a thin layer 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 of the counter electrode layer 33 can be, for example, about 1 to 100 μm, and preferably 5 to 50 μm. With such a thickness, it is possible to reduce the amount of expensive counter electrode layer material used to reduce costs while ensuring sufficient electrode performance.

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及び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。 The counter electrode layer 33 may be made of, for example, a composite oxide such as LSCF or LSM, a ceria-based oxide, or a mixture thereof. 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 made of the above materials functions as a cathode.

尚、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、電極層31形成時と同様の手法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 using a method that can be performed at a processing temperature of 1100°C or less, since this 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 same method as used to form the electrode layer 31 can be used. In particular, low-temperature firing or spray coating is preferable, since it can realize a low-cost element. Furthermore, the low-temperature firing is even more preferable, since it makes it easier to handle the raw materials.

(固体酸化物形燃料電池)
電気化学反応部3a,3bを上記のような構成とすることで、当該電気化学反応部3a,3bを有する電気化学素子Aを燃料電池として機能させる場合には、当該電気化学素子Aを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。つまり、電気化学素子Aで発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池を実現できる。
(Solid oxide fuel cell)
By configuring the electrochemical reaction sections 3a and 3b as described above, when the electrochemical element A having the electrochemical reaction sections 3a and 3b is made to function as a fuel cell, the electrochemical element A can be used as a power generation cell of a solid oxide fuel cell. In other words, a solid oxide fuel cell in which a power generation reaction occurs in the electrochemical element A can be realized.

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。 For example, a fuel gas containing hydrogen as a first gas is circulated from the rear surface of the first plate-like body 1 through the through-holes 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 O2 contained in the air reacts with electrons e- in the counter electrode layer 33 to generate oxygen ions O2- . The oxygen ions O2- move through the electrolyte layer 32 to the electrode layer 31. In the electrode layer 31, hydrogen H2 contained in the circulated fuel gas reacts with the oxygen ions O2- to generate water H2O and electrons e- .

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。 When an electrolyte material that conducts hydrogen ions is used for the electrolyte layer 32, hydrogen H2 contained in the fuel gas flowing through 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 the electrons e- to generate water H2O .

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。 The above reaction generates an electromotive force 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).

尚、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、金属支持型の電気化学素子A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。 In addition, a solid oxide fuel cell that can be operated at a temperature range of 650°C or higher during rated operation is more preferable because it can be used to construct a fuel system that uses hydrocarbon gas such as city gas as raw fuel, and can use the exhaust heat of the fuel cell to cover the heat required to convert the raw fuel into hydrogen, 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 lower during rated operation is more preferable because it enhances the effect of suppressing Cr volatilization from the metal-supported electrochemical element A, and a solid oxide fuel cell that is operated at a temperature range of 850°C or lower during rated operation is even more preferable because it further enhances the effect of suppressing Cr volatilization.

(電気化学モジュール)
次に、図1~図23を参照して、電気化学モジュールMについて説明する。
(Electrochemical module)
Next, the electrochemical module M will be described with reference to FIGS.

図23に示すように、電気化学モジュールMは、複数の電気化学素子Aを内装する絶縁体からなる筐体Bを備えている。 As shown in FIG. 23, the electrochemical module M has a housing B made of an insulating material that houses multiple electrochemical elements A.

複数の電気化学素子Aは、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、且つ、一つの電気化学素子Aを構成する第二板状体2の副流路形成部80を形成する領域の下面と、他の一つの電気化学素子Aを構成する電気化学反応部3a,3bの対極電極層33とが電気的に接続される状態で筐体B内に積層配置されている。また、一つの電気化学素子Aを構成する第二板状体2の下面と他の一つの電気化学素子Aを構成する第一板状体1の上面との間には、これら2つの面に沿って第二ガスが通流する通流部A2が形成されている。 The electrochemical elements A are stacked in the housing B such that the plate-like support 10 constituting one electrochemical element A faces the plate-like support 10 constituting the other electrochemical element A, and the underside of the region forming the sub-channel forming section 80 of the second plate-like body 2 constituting one electrochemical element A is electrically connected to the counter electrode layer 33 of the electrochemical reaction section 3a, 3b constituting the other electrochemical element A. In addition, between the underside of the second plate-like body 2 constituting one electrochemical element A and the upper surface of the first plate-like body 1 constituting the other electrochemical element A, a flow section A2 is formed through which the second gas flows along these two surfaces.

更に、複数の電気化学素子Aにおいて、一つの電気化学素子Aにおける分配部A12が形成された領域の下面と、他の一つの電気化学素子Aの第一板状体1における第一貫通部41が形成された領域の上面との間には、通流部A2内において第一貫通部41を通流部A2と区画する第一環状シール部42が介装されている。また、一つの電気化学素子Aにおける合流部A13が形成された領域の下面と、他の一つの電気化学素子Aの第一板状体1における第二貫通部51が形成された領域の上面との間には、通流部A2内において第二貫通部51を通流部A2と区画する第二環状シール部52が介装されている。これにより、第一貫通部41及び第一環状シール部42によって供給路4が形成され、第二貫通部51及び第二環状シール部52によって排出路5が形成される。 Furthermore, in the multiple electrochemical elements A, a first annular seal portion 42 is interposed between the lower surface of the region where the distribution portion A12 is formed in one electrochemical element A and the upper surface of the region where the first through portion 41 is formed in the first plate-like body 1 of the other electrochemical element A, which separates the first through portion 41 from the through portion A2 in the flow portion A2. In addition, a second annular seal portion 52 is interposed between the lower surface of the region where the junction portion A13 is formed in one electrochemical element A and the upper surface of the region where the second through portion 51 is formed in the first plate-like body 1 of the other electrochemical element A, which separates the second through portion 51 from the through portion A2 in the flow portion A2. As a result, the supply path 4 is formed by the first through portion 41 and the first annular seal portion 42, and the discharge path 5 is formed by the second through portion 51 and the second annular seal portion 52.

尚、第一環状シール部42及び第二環状シール部52は、アルミナ等の絶縁性の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A同士を電気的に絶縁する絶縁シール部として機能する。 The first annular seal portion 42 and the second annular seal portion 52 are made of an insulating ceramic material such as alumina, a metal coated with this, or a material such as mica fiber or glass, and function as insulating seal portions that electrically insulate adjacent electrochemical elements A from each other.

また、複数の電気化学素子Aは、筐体Bに対して、一対の集電体91,82に挟持された状態で内装されており、この集電体91,82に後述する出力部8が延設され、筐体B外部の電力供給先に電極供給自在に接続されている。集電体91,82は、筐体Bに対して複数の電気化学素子Aを気密に収容し、且つ、各電気化学素子Aに対する緩衝材として機能するように設けられている。 The electrochemical elements A are sandwiched between a pair of current collectors 91, 82 and housed inside the housing B. An output section 8 (described later) is extended from the current collectors 91, 82 and is connected to an external power supply destination outside the housing B. The current collectors 91, 82 are arranged to hermetically house the electrochemical elements A in the housing B and to function as a buffer for each electrochemical element A.

また、本実施形態において、電気化学モジュールMは、筐体Bの外部から供給路4を介して内部流路A1に第一ガスを供給する第一ガス供給部61と、反応後の第一ガスを排出する第一ガス排出部62と、外部から通流部A2に第二ガスを供給する第二ガス供給部71と、反応後の第二ガスを排出する第二ガス排出部72と、電気化学反応部3a,3b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から供給される第二ガスを通流部A2に分配供給する分配室9を備えている。 In this embodiment, the electrochemical module M includes a first gas supply unit 61 that supplies a first gas to the internal flow path A1 from outside the housing B via the supply path 4, a first gas exhaust unit 62 that exhausts the first gas after the reaction, a second gas supply unit 71 that supplies a second gas to the flow section A2 from outside, a second gas exhaust unit 72 that exhausts the second gas after the reaction, and an output unit 8 that obtains an output associated with the electrochemical reaction in the electrochemical reaction units 3a and 3b. The electrochemical module M also includes a distribution chamber 9 in the housing B that distributes the second gas supplied from the second gas supply unit 71 to the flow section A2.

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(第一ガスという場合もある)を供給するとともに、第二ガス供給部71から空気(第二ガスという場合もある)を供給することで、図23等の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。 As a result, the electrochemical module M supplies fuel gas (sometimes called the first gas) from the first gas supply unit 61 and air (sometimes called the second gas) from the second gas supply unit 71, so that the fuel gas enters as shown by the dashed arrow in Figure 23, etc., and air enters as shown by the solid arrow.

第一ガス供給部61から供給された燃料ガスは、最上部に配置された電気化学素子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から供給された空気は、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。本実施形態では、燃料ガスが内部流路A1を板状支持体10の平面に沿って通流する通流方向は、+X方向から-X方向に向かう方向である。同様に、空気が通流部A2を板状支持体10の平面に沿って通流する通流方向は、+X方向から-X方向に向かう方向である。 The fuel gas supplied from the first gas supply unit 61 is guided to the supply path 4 from the first through-hole 41 of the electrochemical element A arranged at the top, 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 supplied from the second gas supply unit 71 flows into the distribution chamber 9 temporarily, and then flows through the flow portion A2 formed between each electrochemical element A. In this embodiment, the flow direction in which the fuel gas flows through the internal flow path A1 along the plane of the plate-shaped support 10 is from the +X direction to the -X direction. Similarly, the flow direction in which the air flows through the flow portion A2 along the plane of the plate-shaped support 10 is from the +X direction to the -X direction.

図23等の一部に内部流路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から供給された燃料ガスは、分配部A12に達し(図1や図4、図5等参照)、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や図4、図5等参照)。 In some parts of Figure 23, etc., an electrochemical element A in which a cross section including the internal flow path A1 appears and an 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 supplied from the first gas supply section 61 reaches the distribution section A12 (see Figures 1, 4, 5, etc.), spreads and flows along the width direction of one end side through the distribution section A12, and reaches each sub-flow path A11 of the internal flow path A1 (see Figures 1, 4, 5, etc.).

燃料ガスは、第一ガス供給部61、第一環状シール部42、第一貫通部41等を通流し、各電気化学素子Aの分配部A12に供給される。分配部A12に供給された燃料ガスは、供給調整部A14によって分配部A12に一時的に貯留される。その後、燃料ガスは、分配部A12から複数の副流路A11に導入される。各副流路A11に進入した燃料ガスは、各副流路A11を通流するとともに、気体通流許容部1Aを介して電極層31、電解質層32に進入する。また、燃料ガスは、電気化学反応済みの燃料ガスとともに、さらに副流路A11を進む。複数の副流路A11の通流方向の終端にまで到達した燃料ガスは、排出調整部A17により合流部A13への通流が部分的に制限された状態で、合流部A13に進む。合流部A13に進んだ燃料ガスは、合流部A13、第二貫通部51、第二環状シール部52等を通流する。そして、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より外に排出される。 The fuel gas flows through the first gas supply section 61, the first annular seal section 42, the first through section 41, etc., and is supplied to the distribution section A12 of each electrochemical element A. The fuel gas supplied to the distribution section A12 is temporarily stored in the distribution section A12 by the supply adjustment section A14. The fuel gas is then introduced from the distribution section A12 into the multiple sub-flow paths A11. The fuel gas that has entered each sub-flow path A11 flows through each sub-flow path A11 and enters the electrode layer 31 and the electrolyte layer 32 through the gas flow allowance section 1A. The fuel gas also proceeds further through the sub-flow path A11 together with the fuel gas that has undergone the electrochemical reaction. The fuel gas that has reached the end of the multiple sub-flow paths A11 in the flow direction proceeds to the confluence section A13 with the flow to the confluence section A13 being partially restricted by the discharge adjustment section A17. The fuel gas that reaches the junction A13 flows through the junction A13, the second through-hole 51, the second annular seal portion 52, etc. Then, together with the fuel gas that has undergone electrochemical reaction from the other electrochemical elements A, it is discharged to the outside from the first gas discharge portion 62.

一方、第二ガス供給部71から供給された空気は、分配室9を介して通流部A2に進入し、対極電極層33、電解質層32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、電気化学反応部3a,3bに沿って通流部A2を更に進み第二ガス排出部72より外に排出される。 On the other hand, the air supplied from the second gas supply unit 71 can enter the flow section A2 through the distribution chamber 9 and enter the counter electrode layer 33 and the electrolyte layer 32. The air, together with the air that has already undergone the electrochemical reaction, travels further through the flow section A2 along the electrochemical reaction sections 3a and 3b and is discharged to the outside from the second gas discharge section 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3a,3bで生じた電力は、隣接する電気化学素子Aにおける電気化学反応部3a,3bの対極電極層33と第二板状体2との接触により、集電体91,82同士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。尚、上記のように、本実施形態では、接続部7が形成されている。したがって、複数の電気化学反応部3a,3bで生じた電力は、集電体91,82同士の間において、第一板状体1と第二板状体2との接合部である周縁部1a及び接続部7が導電パスとなった状態で直列に接続された合成出力として取り出される。 The electric power generated in the electrochemical reaction units 3a, 3b according to the flow of the fuel gas and air is connected in series between the collectors 91, 82 by contact between the counter electrode layer 33 of the electrochemical reaction units 3a, 3b in the adjacent electrochemical element A and the second plate-like body 2, and the composite output is taken out from the output unit 8. As described above, in this embodiment, the connection unit 7 is formed. Therefore, the electric power generated in the multiple electrochemical reaction units 3a, 3b is taken out as a composite output connected in series between the collectors 91, 82 with the peripheral portion 1a, which is the joint between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2, and the connection unit 7 forming a conductive path.

(電気化学装置及びエネルギーシステム)
次に、上記電気化学モジュールMを用いて構築した電気化学装置100及びエネルギーシステムZについて説明する。
(Electrochemical devices and energy systems)
Next, an electrochemical device 100 and an energy system Z constructed using the electrochemical module M will be described.

図24には、電気化学装置100及びエネルギーシステムZの概要を示した。同図に示すように、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。 Figure 24 shows an overview of the electrochemical device 100 and the energy system Z. As shown in the figure, the energy system Z has the electrochemical device 100 and a heat exchanger 200 as a waste heat utilization section that reuses the heat circulated from the electrochemical device 100.

本実施形態において、電気化学装置100は、電気化学モジュールMと、脱硫器101と改質器102とからなる燃料変換器と、電気化学モジュールMに対して燃料変換器生成された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。 In this embodiment, the electrochemical device 100 has an electrochemical module M, a fuel converter consisting of a desulfurizer 101 and a reformer 102, a fuel supply unit 103 that circulates fuel gas containing reducing components generated by the fuel converter to the electrochemical module M, and an inverter 104, which is a type of power converter, as an output unit 8 that extracts electricity from the electrochemical module M.

より具体的に言えば、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及び電気化学モジュールMを有する。 More specifically, 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 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 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及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が燃焼除去される。 The reaction exhaust gas is combusted in the combustion section 108 to become combustion exhaust gas, which is sent from the combustion exhaust gas exhaust passage 116 to the heat exchanger 200. 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。即ち、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.

尚、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24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 outside the housing B from the first gas exhaust section 62 may be recycled by merging with any of the locations 100, 101, 103, 106, 112, 113, and 115 in FIG. 24. 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 power generation by a fuel cell or the like, thereby making effective use of energy.

〔別実施形態〕
〔1〕上記実施形態では、接続部7の形成に、レーザー溶接(溶着)を用いる態様としたが、これに限られるものではない。例えば、レーザー溶接(溶着)に代えて、接合材により第一板状体1と第二板状体2とを接合して接続部7を形成してもよい。つまり、第一板状体1と第二板状体2との間における接続部7を形成したい箇所に、接合材のペーストを塗布して焼き付けることで、第一板状体1と第二板状体2とを接合して接続部7を形成してもよい。尚、この場合、焼き付ける温度が1000℃未満であると好ましく、900℃以下であるとより好ましく、800℃以下であると更に好ましい。このような低温域での焼き付け温度を選定することで、接続部7を形成する際に第一板状体1や第二板状体2や電気化学反応部3a,3bに与えるダメージを抑制し、高性能な電気化学素子Aを得ることができる。また、良好な接続部7を形成するために、焼き付ける温度が600℃以上であると好ましく、650℃以上であるとより好ましく、700℃以上であると更に好ましい。また、接合材としては、例えば、CoとMnから構成される複合酸化物を用いることが好ましい。
[Another embodiment]
[1] In the above embodiment, the connection portion 7 is formed by laser welding (welding), but the present invention is not limited thereto. For example, instead of laser welding (welding), the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 may be joined by a bonding material to form the connection portion 7. That is, the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 may be joined to form the connection portion 7 by applying a bonding material paste to the portion between the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 where the connection portion 7 is to be formed and baking the paste. In this case, the baking temperature is preferably less than 1000°C, more preferably 900°C or less, and even more preferably 800°C or less. By selecting a baking temperature in such a low temperature range, damage to the first plate-like body 1, the second plate-like body 2, and the electrochemical reaction portions 3a and 3b when forming the connection portion 7 can be suppressed, and a high-performance electrochemical element A can be obtained. In order to form a good connection 7, the baking temperature is preferably 600° C. or higher, more preferably 650° C. or higher, and even more preferably 700° C. or higher. As the bonding material, it is preferable to use a composite oxide composed of Co and Mn, for example.

〔2〕上記実施形態では、第二板状体2の仕切部81が形成される領域と第一板状体1とをレーザー溶接(溶着)によって接合して接続部7を形成する態様としたが、第二板状体2と第一板状体1との接合箇所はこれに限られるものではなく、任意の箇所を接合して接続部7を形成すればよい。
例えば、第二板状体2における副流路形成部80が形成される領域と第一板状体1との間に接続部7を形成する態様であってもよい。この場合、第二板状体2における副流路形成部80の底面と第一板状体1の下面とが離れている。そこで、図25に示すように、これらの面の間(言い換えれば副流路A11内)に導電性部材7aを配置し、この導電性部材7aと第二板状体2との間、及び導電性部材7aと第一板状体1との間を、溶接(溶着)によって接合したり、接合材によって接合したりすることで、距離の離れた二面間に導電性部材7aを含む接続部7を形成できる。
[2] In the above embodiment, the area where the partition portion 81 of the second plate-like body 2 is formed and the first plate-like body 1 are joined by laser welding (fusion), to form the connection portion 7. However, the joining points between the second plate-like body 2 and the first plate-like body 1 are not limited to this, and the connection portion 7 may be formed by joining any point.
For example, the connection portion 7 may be formed between a region in the second plate-like body 2 where the sub-passage forming portion 80 is formed and the first plate-like body 1. In this case, the bottom surface of the sub-passage forming portion 80 in the second plate-like body 2 is separated from the lower surface of the first plate-like body 1. Therefore, as shown in Fig. 25, a conductive member 7a is disposed between these surfaces (in other words, within the sub-passage A11), and the conductive member 7a and the second plate-like body 2 and the conductive member 7a and the first plate-like body 1 are joined by welding (deposition) or by a bonding material, thereby forming the connection portion 7 including the conductive member 7a between two surfaces separated by a distance.

〔3〕上記実施形態では、板状支持体10上に2つの電気化学反応部3a,3bを設け、この2つの電気化学反応部3a,3b間に複数の接続部7を形成する態様としたが、これに限られるものではない。例えば、電気化学反応部3a,3bの少なくとも一か所に接続部7が形成されていればよい。また、例えば、電気化学反応部3a,3bの下方に接続部7を形成するようにしてもよい。尚、この場合、第一板状体1と第二板状体2とを溶接によって接合することも可能であるが、電気化学反応部3a,3bに損傷を与える可能性がある。そのため、電気化学反応部3a,3bの下方に接続部7を形成する場合には、第一板状体1と第二板状体2とを接合材によって接合して接続部7を形成することが好ましい。また、電気化学反応部3a,3bの縁部と板状支持体10の縁部との間に接続部7を形成するようにしてもよい。 [3] In the above embodiment, two electrochemical reaction sections 3a, 3b are provided on the plate-shaped support 10, and a plurality of connection sections 7 are formed between the two electrochemical reaction sections 3a, 3b, but this is not limited to the above. For example, the connection section 7 may be formed at at least one location of the electrochemical reaction sections 3a, 3b. Also, for example, the connection section 7 may be formed below the electrochemical reaction sections 3a, 3b. In this case, the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 can be joined by welding, but there is a possibility that the electrochemical reaction sections 3a, 3b may be damaged. Therefore, when forming the connection section 7 below the electrochemical reaction sections 3a, 3b, it is preferable to form the connection section 7 by joining the first plate-shaped body 1 and the second plate-shaped body 2 with a joining material. Also, the connection section 7 may be formed between the edge of the electrochemical reaction section 3a, 3b and the edge of the plate-shaped support 10.

〔4〕上記実施形態では、接続部7の数が仕切部81の数と同じ5つである態様としたが、これに限られるものではない。接続部7の数は、電気化学素子Aの平面サイズなどを考慮して、適宜設定すればよい。上記実施形態のように、第二板状体2における仕切部81の上面と、これに接する第一板状体1の下面とが接合されて接続部7が形成される場合、複数の仕切部81のうちの一部にのみ接続部7が形成されてもよいし、一の仕切部81に複数の接続部7が形成されてもよく、接続部7の数は各仕切部81の数と同じである必要はない。 [4] In the above embodiment, the number of connection parts 7 is five, which is the same as the number of partition parts 81, but this is not limited to this. The number of connection parts 7 may be set appropriately taking into consideration the planar size of the electrochemical element A, etc. As in the above embodiment, when the connection parts 7 are formed by joining the upper surface of the partition part 81 in the second plate-like body 2 to the lower surface of the first plate-like body 1 in contact therewith, the connection parts 7 may be formed only on some of the multiple partition parts 81, or multiple connection parts 7 may be formed on one partition part 81, and the number of connection parts 7 does not need to be the same as the number of each partition part 81.

〔5〕上記実施形態では、複数の副流路A11を設ける態様としたが、これに限られるものではなく、副流路A11を設けない態様であってもよい。 [5] In the above embodiment, multiple sub-flow paths A11 are provided, but this is not limited thereto, and the sub-flow path A11 may not be provided.

〔6〕上記実施形態では、第一板状体1及び第二板状体2の表裏面に金属酸化物層12,2dを形成した態様としたが、これに限られるものではなく、金属酸化物層12,2dを形成しない態様であってもよい。 [6] In the above embodiment, the metal oxide layers 12, 2d are formed on the front and back surfaces of the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2, but this is not limited thereto, and the metal oxide layers 12, 2d may not be formed.

〔7〕上記実施形態では、電気化学素子Aを固体酸化物形燃料電池に用いたが、この電気化学素子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。
電気化学素子Aを電解セルとして動作させる場合、電極層31に水蒸気や二酸化炭素を含有するガスを流通し、電極層31と対極電極層33との間に電圧を印加する。そうすると、電極層31において電子eと水分子HOや二酸化炭素分子COとが反応し、水素分子Hや一酸化炭素COと酸素イオンO2-となる。酸素イオンO2-は、電解質層32を通って対極電極層33へ移動する。そして、対極電極層33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、水分子HOが水素Hと酸素Oとに、二酸化炭素分子COを含有するガスが流通される場合は一酸化炭素COと酸素Oとに電気分解される。
図26には、電気化学素子Aの電気化学反応部3a,3bを電解反応によるガスを生成を行う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及び電気化学装置100の一例を示した。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3a,3b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26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を再利用した熱交換によって水を加熱して気化させる排熱利用部として動作させるとともに、同図中の熱交換器23を、電気化学素子Aによって生ずる排熱を再利用した熱交換によって、水蒸気及び二酸化炭素を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。
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を実現できる。
[7] In the above embodiment, the electrochemical element A is used in a solid oxide fuel cell. However, the electrochemical element A can also be used in a solid oxide electrolysis cell, an oxygen sensor using a solid oxide, or the like.
When the electrochemical element A is operated as an electrolysis cell, a gas containing water vapor and carbon dioxide is passed through the electrode layer 31, and a voltage is applied between the electrode layer 31 and the counter electrode layer 33. Then, in the electrode layer 31, the electrons e- react with the water molecules H2O and the carbon dioxide molecules CO2 to become hydrogen molecules H2 , carbon monoxide CO, and oxygen ions O2- . The oxygen ions O2- move through the electrolyte layer 32 to the counter electrode layer 33. Then, in the counter electrode layer 33, the oxygen ions O2- release electrons to become oxygen molecules O2 . Through the above reaction, the water molecules H2O are electrolyzed into hydrogen H2 and oxygen O2 , and when a gas containing carbon dioxide molecules CO2 is passed through, they are electrolyzed into carbon monoxide CO and oxygen O2 .
FIG. 26 shows an example of the energy system Z and the electrochemical device 100 in the case where the electrochemical reaction units 3a and 3b of the electrochemical element A are operated as electrolysis cells that generate gas by electrolysis. In this system, the supplied water and carbon dioxide are electrolyzed in the electrochemical reaction units 3a and 3b to generate hydrogen, carbon monoxide, and the like. Furthermore, hydrocarbons and the like are synthesized in the fuel converter 25. The heat exchanger 24 in FIG. 26 is operated as an exhaust heat utilization unit that heats and vaporizes water by heat exchange that reuses the reaction heat generated by the reaction occurring in the fuel converter 25, and the heat exchanger 23 in the same figure is operated as an exhaust heat utilization unit that preheats water vapor and carbon dioxide by heat exchange that reuses the exhaust heat generated by the electrochemical element A, thereby improving energy efficiency.
Therefore, according to the above configuration, it is possible to realize an electrochemical device 100 and an energy system that can improve the efficiency of converting electrical energy into chemical energy such as fuel.

〔8〕上記実施形態では、電気化学素子Aを電気化学モジュールMとして複数組み合わせて用いる態様としたが、これに限られるものではなく、単独で用いることも可能である。 [8] In the above embodiment, multiple electrochemical elements A are combined to form an electrochemical module M, but this is not limited to the above and each element can be used alone.

〔9〕上記実施形態では、電極層31の材料として例えばNiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO、Cu-CeO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、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態様としたが、これに限られるものではない。このような構成を変更して、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を構成する態様であってもよい。即ち、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NiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO、Cu-CeO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。 [9] In the above embodiment, a composite material such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 , or Cu-CeO 2 is used as the material for the electrode layer 31, a composite oxide such as LSCF or LSM is used as the material for the counter electrode layer 33, hydrogen gas is passed through the electrode layer 31 to form a fuel electrode (anode), and air is passed through the counter electrode layer 33 to form an air electrode (cathode), for use as a solid oxide fuel cell, but the present invention is not limited to this. By changing this configuration, electrochemical element A may be configured so that the electrode layer 31 can be used as an air electrode and the counter electrode layer 33 can be used as 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-CeO 2 or Cu-CeO 2 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.

〔10〕上記実施形態では、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を配置した態様としたが、これに限られるものではなく、電極層31と対極電極層33とを逆に配置する構成であってもよい。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。
即ち、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。
[10] 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. However, the present invention is not limited to this, and the electrode layer 31 and the counter electrode layer 33 may be disposed in reverse. In other words, it is also possible to dispose the counter electrode layer 33 between the first plate-like body 1 and the electrolyte layer 32, and dispose the electrode layer 31 on the side opposite the first plate-like body 1 as viewed from the electrolyte layer 32. 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.

〔11〕上記実施形態では、気体通流許容部1Aを覆うように、第一板状体1の第二板状体2とは反対側に電気化学反応部3a,3bを設けた態様としたが、これに限られるものではなく、第一板状体1の第二板状体2側に設けてもよい。即ち、電気化学反応部3a,3bは内部流路A1に配置される構成であってもよい。 [11] In the above embodiment, the electrochemical reaction sections 3a and 3b are provided on the side of the first plate-like body 1 opposite the second plate-like body 2 so as to cover the gas flow-permitting section 1A, but this is not limited thereto, and the electrochemical reaction sections 3a and 3b may be provided on the second plate-like body 2 side of the first plate-like body 1. In other words, the electrochemical reaction sections 3a and 3b may be configured to be disposed in the internal flow path A1.

〔12〕上記実施形態では、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態様としたが、これに限られるものではない。第一貫通部41や第二貫通部51は、両端部以外の位置に設けてもよいし、二対以上設けてもよい。また、第一貫通部41や第二貫通部51は、対で設ける必要はない。よって、第一貫通部41や第二貫通部51それぞれが1個以上設けることができる。 [12] 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 this is not limited to the above. The first through-hole 41 and the second through-hole 51 may be provided at a position other than both ends, or may be provided in two or more pairs. In addition, the first through-hole 41 and the second through-hole 51 do not need to be provided in pairs. Therefore, one or more first through-holes 41 and one or more second through-holes 51 can be provided.

〔13〕上記実施形態では、板状支持体10が長方形状である態様としたが、これに限られるものではない。板状支持体10の形状は、正方形状や円形状等の種々の形態を採用できる。 [13] In the above embodiment, the plate-shaped support 10 is rectangular, but this is not limited to this. The shape of the plate-shaped support 10 can be various shapes such as a square shape or a circular shape.

〔14〕上記実施形態では、第一、第二環状シール部42,52は、第一、第二貫通部41,51同士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同士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。 [14] In the above embodiment, 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 are, for example, annular. The annular shape may be any shape, such as circular, elliptical, rectangular, or polygonal.

〔15〕上記実施形態では、第一板状体1と第二板状体2とで内部流路A1を形成し、当該内部流路A1が、分配部A12、供給調整部A14、供給バッファ部A15、複数の副流路A11、排出バッファ部A16、排出調整部A17及び合流部A13を有している態様としたが、これに限られるものではない。例えば、内部流路A1が、分配部A12、複数の副流路A11及び合流部A13を有している態様であってもよい。 [15] In the above embodiment, the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 form an internal flow path A1, and the internal flow path A1 has a distribution section A12, a supply adjustment section A14, a supply buffer section A15, multiple sub-flow paths A11, a discharge buffer section A16, a discharge adjustment section A17, and a junction section A13, but this is not limited to this. For example, the internal flow path A1 may have a distribution section A12, multiple sub-flow paths A11, and a junction section A13.

〔16〕上記実施形態では、第二板状体2において複数の副流路A11が形成される領域全体が波板状に形成されている態様としたが、これに限られるものではなく、一部が波板状に形成されている態様であってもよい。 [16] In the above embodiment, the entire area in the second plate-like body 2 where the multiple sub-flow paths A11 are formed is formed in a corrugated shape, but this is not limited thereto, and it may be formed in a corrugated shape only in part.

上記実施形態(別実施形態を含む)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り、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 (including other embodiments) can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments, provided no contradictions arise. Furthermore, the embodiments disclosed in this specification are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and can be modified as appropriate within the scope of the purpose of the present invention.

本発明は、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及び固体酸化物形電解セル、並びに電気化学素子の製造方法として利用可能である。 The present invention can be used as an electrochemical element, an electrochemical module, an electrochemical device, an energy system, a solid oxide fuel cell, a solid oxide electrolysis cell, and a method for manufacturing an electrochemical element.

1 :第一板状体(支持体)
1A :気体通流許容部
2 :第二板状体
2c :凹部
2d :金属酸化物層(金属酸化物膜)
3a,3b:電気化学反応部
4 :供給路
5 :排出路
7 :接続部
7a :導電性部材
8 :出力部
9 :分配室
10 :板状支持体
12 :金属酸化物層(金属酸化物膜)
31 :電極層
32 :電解質層
33 :対極電極層
41 :第一貫通部
42 :第一環状シール部
51 :第二貫通部
52 :第二環状シール部
61 :第一ガス供給部
71 :第二ガス供給部
80 :副流路形成部
81 :仕切部
100 :電気化学装置
102 :改質器
103 :燃料供給部
104 :インバータ
A :電気化学素子
A1 :内部流路
A11 :副流路
A12 :分配部
A13 :合流部
A14 :供給調整部
A14a:供給通過部
A14b:供給阻止部
A15 :供給バッファ部
A16 :排出バッファ部
A17 :排出調整部
A17a:排出通過部
A17b:排出阻止部
A2 :通流部
B :筐体
M :電気化学モジュール
Z :エネルギーシステム
1: First plate-like body (support)
1A: Gas flow permitting portion 2: Second plate-like body 2c: Recess 2d: Metal oxide layer (metal oxide film)
3a, 3b: electrochemical reaction section 4: supply path 5: discharge path 7: connection section 7a: conductive member 8: output section 9: distribution chamber 10: plate-shaped support 12: metal oxide layer (metal oxide film)
31: electrode layer 32: electrolyte layer 33: counter electrode layer 41: first through-portion 42: first annular seal portion 51: second through-portion 52: second annular seal portion 61: first gas supply portion 71: second gas supply portion 80: sub-flow passage forming portion 81: partition portion 100: electrochemical device 102: reformer 103: fuel supply portion 104: inverter A: electrochemical element A1: internal flow passage A11: sub-flow passage A12: distribution portion A13: junction portion A14: supply adjustment portion A14a: supply passage portion A14b: supply blocking portion A15: supply buffer portion A16: discharge buffer portion A17: discharge adjustment portion A17a: discharge passage portion A17b: discharge blocking portion A2: flow portion B: housing M: electrochemical module Z: energy system

Claims (13)

内側に内部流路を有する導電性の板状支持体と、
前記板状支持体上に形成された電極層、対極電極層、並びに前記電極層と前記対極電極層とに挟まれた電解質層からなる電気化学反応部とを備え、
前記板状支持体に、当該板状支持体の厚さ方向において、前記内部流路間を電気的に接続する接続部が形成され、前記板状支持体は、少なくとも2つの導電性部材から構成され、前記2つの導電性部材が導電パスとなる周縁部を備えている電気化学素子。
A conductive plate-shaped support having an internal flow path therein;
an electrochemical reaction section including an electrode layer and a counter electrode layer formed on the plate-like support, and an electrolyte layer sandwiched between the electrode layer and the counter electrode layer;
An electrochemical element in which a connection portion that electrically connects the internal flow paths is formed in the thickness direction of the plate-shaped support , the plate-shaped support is composed of at least two conductive members, and the two conductive members have a peripheral portion that forms a conductive path .
前記内部流路が、前記板状支持体の板状面に沿う方向において第1方向に延び、且つ、前記板状支持体の板状面に沿う方向において前記第1方向と交差する第2方向に離隔して前記第1方向に延びる複数の副流路を有している請求項1に記載の電気化学素子。 2. The electrochemical element according to claim 1, wherein the internal flow path extends in a first direction along the plate surface of the plate support, and has a plurality of sub-flow paths extending in the first direction and spaced apart in a second direction intersecting the first direction along the plate surface of the plate support. 前記板状支持体上に複数の前記電気化学反応部を有し、
前記複数の電気化学反応部間の少なくとも一か所に、前記接続部が形成されている請求項1又は2に記載の電気化学素子。
A plurality of the electrochemical reaction units are provided on the plate-like support,
3. The electrochemical element according to claim 1, wherein the connection portion is formed at at least one location between the plurality of electrochemical reaction portions.
前記板状支持体は、金属部材で構成される請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子。 4. The electrochemical device according to claim 1 , wherein the plate-like support is made of a metal material. 前記接続部は、導電性部材を含む請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子。 The electrochemical element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the connection portion includes a conductive member. 前記板状支持体の表面の少なくとも一部が金属酸化物膜で覆われている請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子。 6. The electrochemical element according to claim 1 , wherein at least a part of the surface of the plate-like support is covered with a metal oxide film. 請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子が複数集合した状態、且つ、電気的に接続された状態で配置される電気化学モジュール。 7. An electrochemical module comprising a plurality of electrochemical elements according to claim 1 arranged in an assembled and electrically connected state. 請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子又は請求項に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子又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、前記電気化学素子又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 an electrochemical element according to any one of claims 1 to 6 or an electrochemical module according to claim 7 , 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 in the electrochemical element or the electrochemical module. 請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子又は請求項に記載の電気化学モジュールと、前記電気化学素子又は前記電気化学モジュールから電力を取り出す、或いは前記電気化学素子又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 any one of claims 1 to 6 or the electrochemical module according to claim 7 , and a power converter that extracts electric power from the electrochemical element or the electrochemical module, or that supplies electric power to the electrochemical element or the electrochemical module. 請求項8又は9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、を少なくとも有するエネルギーシステム。 10. An energy system comprising at least the electrochemical device according to claim 8 or 9 , and a waste heat utilization section that reuses heat discharged from the electrochemical device. 請求項1~のいずれか一項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 any one of claims 1 to 6 , wherein a power generating reaction occurs in the electrochemical element. 請求項1~のいずれか一項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 any one of claims 1 to 6 , in which an electrolytic reaction occurs in the electrochemical element. 請求項1~のいずれか一項に記載の電気化学素子を製造する方法であって、
前記接続部を形成する接続部形成工程を含み、
前記接続部形成工程に、溶接工程又は焼成工程の少なくともいずれか一方を含む、電気化学素子の製造方法。
A method for producing the electrochemical device according to any one of claims 1 to 6 , comprising the steps of:
a connection portion forming step of forming the connection portion,
The method for manufacturing an electrochemical element, wherein the connection forming step includes at least one of a welding step and a firing step.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006049072A (en) 2004-08-04 2006-02-16 Mitsubishi Materials Corp Fuel cell separator and solid oxide fuel cell
JP2015207509A (en) 2014-04-23 2015-11-19 本田技研工業株式会社 Fuel cell stack
JP2017183177A (en) 2016-03-31 2017-10-05 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element, cell unit, electrochemical module, electrochemical device and energy system
WO2019106765A1 (en) 2017-11-29 2019-06-06 日産自動車株式会社 Fuel cell stack
WO2019189915A1 (en) 2018-03-30 2019-10-03 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element stacked body, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, and energy system
WO2019189916A1 (en) 2018-03-30 2019-10-03 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, and energy system
WO2020203892A1 (en) 2019-03-29 2020-10-08 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, and energy system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006049072A (en) 2004-08-04 2006-02-16 Mitsubishi Materials Corp Fuel cell separator and solid oxide fuel cell
JP2015207509A (en) 2014-04-23 2015-11-19 本田技研工業株式会社 Fuel cell stack
JP2017183177A (en) 2016-03-31 2017-10-05 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element, cell unit, electrochemical module, electrochemical device and energy system
WO2019106765A1 (en) 2017-11-29 2019-06-06 日産自動車株式会社 Fuel cell stack
WO2019189915A1 (en) 2018-03-30 2019-10-03 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element stacked body, electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, and energy system
WO2019189916A1 (en) 2018-03-30 2019-10-03 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, and energy system
WO2020203892A1 (en) 2019-03-29 2020-10-08 大阪瓦斯株式会社 Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, and energy system

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