JP2022181804A - 電解セル - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、セルスタック装置100は、マニホールド2と、複数の電解セル10と、を備えている。
図2に示すように、マニホールド2は、複数の電解セル10のそれぞれにガスを分配するように構成されている。また、マニホールド2は、電解セル10によって生成されたガスを回収するように構成されている。マニホールド2は、ガス供給室21とガス回収室22とを有している。ガス供給室21には、H2O及びCO2などが供給される。ガス回収室22は、各電解セル10にて生成されたH2及びCOなどを回収する。
図4は、セルスタック装置の断面図を示している。図4に示すように、電解セル10は、マニホールド2から上方に延びている。電解セル10は、基端部101及び先端部102を有している。電解セル10は、基端部101がマニホールド2に取り付けられている。すなわち、マニホールド2は、各電解セル10の基端部101を支持している。本実施形態では、電解セル10の基端部101は下端部を意味し、電解セル10の先端部102は上端部を意味する。
支持基板4は、マニホールド2から上方に延びている。支持基板4は、板状である。詳細には、支持基板4は、正面視(z軸方向視)が長方形状である。支持基板4は、長手方向(x軸方向)と幅方向(y軸方向)とを有している。なお、支持基板4は、長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い。本実施形態では、図4の上下方向(x軸方向)が支持基板4の長手方向であり、図4の左右方向が(y軸方向)が支持基板4の幅方向である。
図5に示すように、複数の素子部5が、支持基板4上に配置されている。なお、本実施形態では、複数の素子部5は、支持基板4の第1主面45及び第2主面46に支持されている。なお、第1主面45に形成される素子部5の数と第2主面46に形成される素子部5の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、素子部5は、支持基板4の第1主面45及び第2主面46のどちらか一方のみに支持されていてもよい。
水素極6は、下記(1)式に示す共電解の化学反応に従って、CO2及びH2Oから、H2、CO、及びO2-を生成する。
・水素極6:CO2+H2O+ 4e-→CO+H2+2O2-・・・(1)
水素極集電部61は、凹部49内に配置されている。凹部49は、支持基板4に形成されている。詳細には、水素極集電部61は、凹部49を埋めており、凹部49と同様の形状を有する。
水素極活性部62は、水素極集電部61の第3主面613上に配置されている。このため、水素極活性部62は、凹部49から突出している。すなわち、水素極活性部62は、水素極集電部61に埋設されていない。水素極活性部62の端縁は、第3主面613上において、水素極集電部61の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、水素極活性部62は、水素極集電部61よりも平面視(z軸方向視)の面積が小さい。そして、水素極活性部62は、第3主面613内に収まっている。
電解質7は、水素極6と酸素極8との間に配置される。電解質7は、酸素イオン伝導性を有する。電解質7は、水素極6において生成されたO2-を酸素極8に伝達させる。電解質7は、水素極6上を覆うように配置されている。詳細には、電解質7は、一のインターコネクタ9から他のインターコネクタ9まで支持基板4の長手方向に延びている。すなわち、支持基板4の長手方向において、電解質7とインターコネクタ9とが交互に配置されている。
反応防止膜11は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜11は、厚さ方向視において、水素極活性部62と略同一の形状であり、水素極活性部62と重複するように配置されている。反応防止膜11は、電解質7を介して、水素極活性部62と対応する位置に配置されている。反応防止膜11は、電解質7内のYSZと酸素極活性部81内のSrとが反応して電解質7と酸素極活性部81との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜11は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)などによって構成することができる。反応防止膜11の厚さは、例えば、3~50μm程度である。
酸素極8は、下記(2)式に示す化学反応に従って、電解質7を介して水素極6より伝達されるO2-からO2を生成する。
・酸素極8:2O2-→O2+4e-・・・(2)
酸素極活性部81は、反応防止膜11上に配置されている。酸素極活性部81は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。酸素極活性部81は、酸素極集電部82より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。
酸素極集電部82は、酸素極活性部81上に配置されている。酸素極集電部82は、酸素極活性部81から、隣の素子部5に向かって延びている。酸素極集電部82は、インターコネクタ9を介して隣の素子部5の水素極集電部61と電気的に接続されている。なお、水素極集電部61と酸素極集電部82とは、第1方向において、反応領域から互いに反対側に延びている。なお、反応領域とは、電解セル10の厚さ方向視(z軸方向視)において、水素極活性部62と電解質7と酸素極活性部81とが重複する領域である。
インターコネクタ9は、第1方向において隣り合う素子部5同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ9は、隣り合う素子部5の一方の素子部5の水素極6と、他方の素子部5の酸素極8とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ9は、一方の素子部5の水素極集電部61と、他方の素子部5の酸素極集電部82とを電気的に接続している。
図4に示すように、連通部材3は、支持基板4の先端部42に取り付けられている。そして、連通部材3は、第1ガス流路43と第2ガス流路44とを連通させる連通流路30を有している。詳細には、連通流路30は、各第1ガス流路43と各第2ガス流路44とを連通する。連通流路30は、各第1ガス流路43から各第2ガス流路44まで延びる空間によって構成されている。連通部材3は、支持基板4に接合されていることが好ましい。また、連通部材3は、支持基板4と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路30の数は、第1ガス流路43の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路30のみによって、複数の第1ガス流路43と複数の第2ガス流路44とが連通されている。
図9に示すように、セルスタック装置100は、集電部材12をさらに有している。集電部材12は、隣り合う電解セル10の間に配置されている。そして、集電部材12は、隣り合う電解セル10を互いに電気的に接続している。集電部材12は、隣り合う電解セル10の先端部102同士を接合している。例えば、集電部材12は、支持基板4の両主面に配置された複数の素子部5のうち、最も先端側に配置された素子部5よりも先端側に配置されている。集電部材12は、隣り合う電解セル10の最も先端側に配置された素子部5同士を電気的に接続している。
上述したように構成されたセルスタック装置100では、電極間に電力を供給しながら、マニホールド2のガス供給室21にH2O及びCO2を供給する。そして、水素極6において生成されたH2、及びCOをガス回収室22で回収する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記実施形態では、第1ガス流路43と第2ガス流路44とは、連通部材3が有する連通流路30によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図10に示すように、支持基板4が、内部に連通流路30を有していてもよい。この場合、セルスタック装置100は、連通部材3を備えていなくてもよい。この支持基板4内に形成された連通流路30によって、第1ガス流路43と第2ガス流路44とが連通されている。
上記実施形態では、電解セル10は、第1ガス流路43と第2ガス流路44とを有していたが、電解セル10の構成はこれに限定されない。例えば、図11に示すように、電解セル10は、第1ガス流路43のみを有しており、第2ガス流路44は有していなくてもよい。この場合、マニホールド2は、ガス供給室21のみを有しており、ガス回収室22は有していない。すなわち、マニホールド2は仕切板24を有していない。そして、電解セル10の先端部102から排出されたH2及びCOなどは、別の部材によって回収することができる。
上記実施形態では、第1断面において、水素極集電部61の第1側面611は円弧状に形成されていたが、水素極集電部61の構成はこれに限定されない。例えば、図12に示すように、第1断面において、水素極集電部61の第1側面611は、直線状であってもよい。
43、44 :ガス流路
49 :凹部
61 :水素極集電部
611 :第1側面
612 :第2側面
10 :電解セル
Claims (8)
- 凹部、及び第1方向に延びるガス流路、を有する多孔質の支持基板と、
前記第1方向を向く一対の第1側面、及び前記第1方向と交差する第2方向を向く一対の第2側面、を有し、前記凹部内に配置される水素極集電部と、
を備え、
前記一対の第1側面の間隔は、前記ガス流路に近付くにつれて小さくなる、
電解セル。
- 前記一対の第1側面は、前記第2方向と直交する第1切断面において、円弧状である、
請求項1に記載の電解セル。
- 前記一対の第1側面は、曲面である、
請求項1又は2に記載の電解セル。
- 前記一対の第1側面は、前記ガス流路を向くように傾斜している、
請求項1から3のいずれかに記載の電解セル。
- 前記一対の第2側面の間隔は、一定である、
請求項1から4のいずれかに記載の電解セル。
- 前記一対の第2側面は、前記第1方向と直交する第2切断面において、直線状である、
請求項1から5のいずれかに記載の電解セル。
- 前記一対の第2側面は、平面である、
請求項1から6のいずれかに記載の電解セル。
- 前記支持基板は、前記第1方向に沿って間隔をあけて配置される複数の前記凹部と、前記凹部間に配置される桟部と、を有し、
前記桟部は、先端部及び基端部を有し、
前記先端部は、前記第1方向における寸法が、前記基端部よりも小さい、
請求項1から7のいずれかに記載の電解セル。
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