JP6757434B1 - 電気化学セル - Google Patents
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Abstract
Description
[固体酸化物形燃料電池セル]
固体酸化物形燃料電池セル1は、O2−(酸素イオン)をキャリアとする。固体酸化物形燃料電池セル1は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。以下の説明では、固体酸化物形燃料電池セルを「セル」と略称する。
流路部材3は、金属支持体4に接合される。流路部材3は、流路31を有する。流路31は、流路部材3の金属支持体4と対向する面に形成されている。本実施形態では、流路部材3の上面に流路31が形成されている。流路31は、金属支持体4に向かって開口している。流路31は、図示しないマニホールドなどに繋がる。本実施形態では、流路31に燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給される。
金属支持体4は、セル本体部10を支持する。本実施形態において、金属支持体4は、板状に形成されているが、これに限られない。金属支持体4は、例えば、筒状、或いは、箱状などの他の形状であってもよい。
第1電極層5は、金属支持体4によって支持される。詳細には、第1電極層5は、金属支持体4の支持面42上に配置される。第1電極層5は、金属支持体4のうち複数の供給孔41が設けられた領域を覆うように設けられる。
図1に示すように、中間層6は、第1電極層5上に配置される。中間層6は、第1電極層5と電解質層7との間に介挿される。中間層6の厚さは特に制限されないが、例えば1μm〜100μmとすることができる。
電解質層7は、第1電極層5と第2電極層9との間に配置される。本実施形態では、セル本体部10が中間層6及び反応防止層8を有しているため、電解質層7は、中間層6と反応防止層8との間に介挿されている。
反応防止層8は、電解質層7上に配置される。反応防止層8は、電解質層7と第2電極層9との間に介挿される。反応防止層8の厚さは特に制限されないが、例えば1μm〜100μmとすることができる。反応防止層8は、第2電極層9の構成材料と電解質層7の構成材料とが反応して高抵抗層が形成されることを抑制する。
第2電極層9は、電解質層7を基準として、第1電極層5の反対側に配置される。本実施形態では、セル1が反応防止層8を有しているため、第2電極層9は、反応防止層8上に配置される。
図2に示すように、金属支持体4は、複数の突起部43を有している。この突起部43は、支持面42と供給孔41の内壁面とがなす角部から突出している。そして、突起部43は、セル本体部10内を延びている。詳細には、突起部43は、第1電極層5内を延びている。突起部43は、支持面42が向く方向に延びている。すなわち、突起部43は、図2の上方に延びている。突起部43の高さh2は、特に限定されるものではないが、例えば、1〜50μm程度である。
まず、流路31から各供給孔41を介して第1電極層5に燃料ガスを供給し、かつ、第2電極層9に酸化剤ガスを供給しながら、セル1を作動温度(例えば、600℃〜850℃)まで加熱する。すると、第2電極層9においてO2(酸素)がe−(電子)と反応してO2−(酸素イオン)が生成される。生成されたO2−は、電解質層7を通って第1電極層5に移動する。第1電極層5に移動したO2−は、燃料ガスに含まれるH2(水素)と反応して、H2O(水)とe−とが生成される。このような反応によって、第1電極層5と第2電極層9との間に起電力が発生する。
[固体アルカリ形燃料電池セル]
固体アルカリ形燃料電池セル1は、OH−(水酸化物イオン)をキャリアとするアルカリ形燃料電池(AFC)の一種である。固体アルカリ形燃料電池セル11は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。以下の説明では、固体アルカリ形燃料電池セルを「セル」と略称する。
流路部材13は、金属支持体14に接合される。流路部材13は、流路131を有する。流路131は、流路部材13の金属支持体14と対向する面に形成されている。本実施形態では、流路部材13の上面に流路131が形成されている。流路131は、金属支持体14に向かって開口している。流路131は、図示しないマニホールドなどに繋がる。本実施形態では、流路131に燃料が供給される。
金属支持体14は、セル本体部110を支持する。本実施形態において、金属支持体14は、板状に形成されているが、これに限られない。金属支持体14は、例えば、筒状、或いは、箱状などの他の形状であってもよい。
第1電極層15は、金属支持体14によって支持される。詳細には、第1電極層15は、金属支持体14の支持面142上に配置される。第1電極層15は、金属支持体14のうち複数の供給孔141が設けられた領域を覆うように設けられる。
図4に示すように、電解質層17は、第1電極層15と第2電極層19との間に配置される。電解質層17は、第1電極層15及び第2電極層19のそれぞれに接続される。
第2電極層19は、電解質層17を基準として、第1電極層15の反対側に配置される。本実施形態では、第2電極層19は、電解質層17上に配置される。
図5に示すように、金属支持体14は、複数の突起部143を有している。この突起部143は、支持面142と供給孔141の内壁面とがなす角部から突出している。そして、突起部143は、セル本体部110内を延びている。詳細には、突起部143は、第1電極層15内を延びている。突起部143は、支持面142が向く方向に延びている。すなわち、突起部143は、図5の上方に延びている。突起部143の高さh2は、特に限定されるものではないが、例えば、1〜50μm程度である。
まず、流路131から各供給孔141を介して第1電極層15に燃料を供給し、かつ、第2電極層19に酸化剤を供給しながら、セル11を作動温度(例えば、50℃〜250℃)まで加熱する。すると、第2電極層19においてO2(酸素)が水及びe−(電子)と反応してOH−(水酸化物イオン)が生成される。生成されたOH−は、電解質層17を通って第1電極層15に移動する。第1電極層15に移動したOH−は、燃料と反応して、H2O(水)とCO2(二酸化炭素)とe−とが生成される。このような反応によって、第1電極層15と第2電極層19との間に起電力が発生する。
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。
第1及び第2実施形態において、図7に示すように、突起部43,143は、供給孔41,141内に入り込んだ第1電極層5、15内を延びていてもよい。すなわち、突起部43、143は、図7の左右方向に延びていてもよい。また、図8に示すように、複数の突起部43、143のうち、一部の突起部43a、143aが支持面42、142の向く方向(図8の上方)に延び、他の突起部43b、143bが供給孔41、141内に入り込んだ第1電極層5、15を向く方向(図8の左右方向)に向かって延びていてもよい。
上記第1及び第2実施形態では、第1電極層5、15が金属支持体4,14の供給孔41,141の一部のみに入り込んでいるが、セル1、11の構成はこれに限定されない。例えば、図9に示すように、第1電極層5、15が、供給孔41,141の全体に入り込んでいてもよい。また、第1電極層5、15は、供給孔41,141に入り込んでいなくてもよい。
第1及び第2実施形態において、図10に示すように、金属支持体4、14は、湾曲面44,144を有していてもよい。この湾曲面44,144は、供給孔41,141の内壁面と、露出面45、145とを連結している。なお、露出面45、145は支持面42,142と反対側の面である。露出面45、145は、流路部材3、13を向いている。露出面45、145は、流路31、131に露出している。このように、供給孔41,141の流路部材3、13側のエッジ部分が湾曲面44、144によって構成されている。湾曲面44、144は、外側に向かって膨らむように湾曲している。湾曲面44、144の断面形状は、円弧状である。湾曲面44,144は、供給孔41,141の内壁面と露出面45、145とがなす角部を面取り加工することによって形成することができる。特に限定されるものではないが、この湾曲面44,144の曲率半径は、例えば、20〜1000μm程度である。
上記第1及び第2実施形態において、金属支持体4、14は、酸化クロム膜を有することとしたが、酸化クロム膜を有していなくてもよい。また、金属支持体4、14は、酸化クロム膜上に形成された被覆膜をさらに有していてもよい。被覆膜を構成する材料としては、セラミックス材料及び金属材料などを用いることができる。セラミックス材料としては、例えば、LaおよびSrを含有するペロブスカイト形複合酸化物、Mn,Co,Ni,Fe,Cu等の遷移金属から構成されるスピネル型複合酸化物、ガラス材料などを用いることができる。金属材料としては、Ni、Co、Fe、Cuなどを用いることができる。なお、金属支持体4、14の表面のうち流路部材3、13及び第1電極層5、15それぞれが接続されない領域には導電性が必要とされないため、当該領域は、絶縁性材料で構成される被覆膜によって被覆されていてもよい。
上記第1実施形態において、セル本体部10は、中間層6及び反応防止層8を有しているが、中間層6及び反応防止層8の少なくとも一方を有していなくてよい。
上記第1及び第2実施形態において、第1電極層5、15はアノードとして機能し、第2電極層9、19はカソードとして機能することとしたが、第1電極層5、15がカソードとして機能し、第2電極層9、19がアノードとして機能してもよい。この場合、第1電極層5、15と第2電極層9、19の構成材料を入れ替えるとともに、第1電極層5、15の外表面に燃料ガスを流すとともに、流路31,131に酸化剤ガスを流せばよい。そして、第1実施形態の場合は、図11に示すように、中間層6と反応防止層8の配置を入れ替えてもよい。
上記第1及び第2実施形態では、供給孔4、14は、厚さ方向視において円形状であるが、供給孔4、14の形状はこれに限定されない。例えば、供給孔4、14はスリット状であってもよいし、その他の形状であってもよい。
上記第1実施形態では、電気化学セルの一例として、O2−(酸素イオン)をキャリアとする固体酸化物形燃料電池セル1について説明した。また、上記第2実施形態では、電気化学セルの一例として、OH−(水酸化物イオン)をキャリアとする固体アルカリ形燃料電池セル11について説明した。しかしながら、電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルには、例えば、プロトンをキャリアとする燃料電池や、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどが含まれる。
4、14 金属支持体
41、141 供給孔
42、142 支持面
43、143 突起部
5、15 第1電極層
53、153 凹部
7、17 電解質層
9、19 第2電極層
10、110 セル本体部
Claims (9)
- 第1電極層、第2電極層、及び前記第1電極層と前記第2電極層との間に配置される電解質層、を有するセル本体部と、
前記セル本体部を支持する支持面、及び前記支持面に開口する供給孔、を有し、前記セル本体部を支持する金属支持体と、
を備え、
前記金属支持体は、前記支持面と前記供給孔の内壁面とがなす角部から突出し前記セル本体部内を延びる突起部をさらに有する、
電気化学セル。
- 前記突起部は、前記支持面が向く方向に延びる、
請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記セル本体部の少なくとも一部は、前記供給孔内に入り込んでいる、
請求項1又は2に記載の電気化学セル。
- 前記突起部は、前記供給孔内に入り込んだセル本体部内を延びる、
請求項3に記載の電気化学セル。
- 前記第1電極層は、前記金属支持体の支持面上に配置される、
請求項1から4のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第1電極層は、前記金属支持体を向く面の反対側の面に形成される凹部を有し、
前記凹部は、前記第1電極層の厚さ方向視において前記供給孔と重複する、
請求項1から5のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記第1電極層は、アノードとして機能し、
前記第2電極層は、カソードとして機能する、
請求項1から6のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記電解質層は、酸素イオン伝導性を有する、
請求項1から7のいずれかに記載の電気化学セル。
- 前記電解質層は、水酸化物イオン伝導性を有する、
請求項1から7のいずれかに記載の電気化学セル。
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