JP7333439B1 - 電気化学セル - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質層の剥離を抑制可能な電気化学セルを提供する。【解決手段】電解セル１は、反応防止層８と、水素極６と、電解質層７と、応力緩和部４０とを備える。電解質層７は、反応防止層８及び水素極６の間に配置され、反応防止層８と接触する。応力緩和部４０は、反応防止層８及び電解質層７の間に配置される。応力緩和部４０は、面方向における反応防止層８の電解質層７に対する所定範囲内での伸縮を許容することによって界面に生じる熱応力を緩和させる。【選択図】図２
Description
本発明は、電気化学セルに関する。
第１電極層、電解質層、反応防止層及び第２電極層が順次積層されたセル本体部を備える電気化学セル（電解セル、燃料電池など）が知られている。電解質層は、反応防止層に接続される。
電気化学セルの作動及び停止を繰り返すと、電解質層が反応防止層から剥離してしまうおそれがある。このような問題は、電解質層が反応防止層に接続されている場合に限らず、電解質層が他の機能層（例えば、第２電極層）と接続されている場合にも共通して生じる。
本発明の課題は、電解質層の剥離を抑制可能な電気化学セルを提供することにある。
本発明の一側面に係る電気化学セルは、所定の機能を有する機能層と、電極層と、電解質層と、応力緩和部とを備える。電解質層は、機能層及び電極層の間に配置され、機能層と接触する。応力緩和部は、機能層及び電解質層の間に配置され、機能層及び電解質層の界面に沿った面方向における機能層の電解質層に対する所定範囲内での伸縮を許容することによって界面に生じる熱応力を緩和させる。
本発明によれば、電解質層の剥離を抑制可能な電気化学セルを提供することができる。
１．第１実施形態
（電解セル１）
図１は、第１実施形態に係る電解セル１の構成を示す断面図である。電解セル１は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。
図１は、第１実施形態に係る電解セル１の構成を示す断面図である。電解セル１は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。
電解セル１は、セル本体部１０、金属支持体２０、及び流路部材３０を備える。
［セル本体部１０］
セル本体部１０は、水素極層６（カソード）、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９（アノード）を有する。水素極層６、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９は、この順で金属支持体２０側から積層されている。水素極層６、電解質層７、及び酸素極層９は必須の構成であり、反応防止層８は任意の構成である。
セル本体部１０は、水素極層６（カソード）、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９（アノード）を有する。水素極層６、電解質層７、反応防止層８、及び酸素極層９は、この順で金属支持体２０側から積層されている。水素極層６、電解質層７、及び酸素極層９は必須の構成であり、反応防止層８は任意の構成である。
また、セル本体部１０は、電解質層７及び反応防止層８の間に配置される複数の応力緩和部４０を備える。応力緩和部４０の詳細な構成については後述する。
［水素極層６］
水素極層６は、金属支持体２０と電解質層７との間に配置される。水素極層６は、金属支持体２０によって支持される。詳細には、水素極層６は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓ上に配置される。水素極層６は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓのうち複数の供給孔２１が設けられた領域を覆う。水素極層６は、各供給孔２１内に入り込んでいてよい。水素極層６は、本発明に係る「電極層」の一例である。
水素極層６は、金属支持体２０と電解質層７との間に配置される。水素極層６は、金属支持体２０によって支持される。詳細には、水素極層６は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓ上に配置される。水素極層６は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓのうち複数の供給孔２１が設けられた領域を覆う。水素極層６は、各供給孔２１内に入り込んでいてよい。水素極層６は、本発明に係る「電極層」の一例である。
水素極層６には、各供給孔２１を介して原料ガスが供給される。原料ガスは、ＣＯ２及びＨ２Ｏを含む。原料ガスは、本発明に係る「気体」の一例である。水素極層６は、下記（１）式に示す共電解の電気化学反応に従って、原料ガスから、Ｈ２、ＣＯ、及びＯ２－を生成する。
・水素極層６：ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２＋２Ｏ２－・・・（１）
・水素極層６：ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ－→ＣＯ＋Ｈ２＋２Ｏ２－・・・（１）
水素極層６は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。水素極層６は、酸化物イオン伝導性を有していてよい。水素極層６は、例えば、８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）、カルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳＤＣ）、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３、Ｓｒ２（Ｆｅ,Ｍｏ）２Ｏ６、（Ｌａ，Ｓｒ）ＶＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、及びこれらのうち２つ以上を組み合わせた混合材料、或いは、これらのうち１つ以上とＮｉＯとの複合物によって構成することができる。
水素極層６の気孔率は特に制限されないが、例えば５％以上７０％以下とすることができる。水素極層６の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
水素極層６の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法（溶射法、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）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを用いることができる。
［電解質層７］
電解質層７は、水素極層６及び酸素極層９の間に配置される。電解質層７は、水素極層６の全体を覆う。本実施形態では、電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されているため、電解質層７は反応防止層８と接触する。
電解質層７は、水素極層６及び酸素極層９の間に配置される。電解質層７は、水素極層６の全体を覆う。本実施形態では、電解質層７及び酸素極層９の間に反応防止層８が配置されているため、電解質層７は反応防止層８と接触する。
電解質層７の外縁は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓに接合される。これによって、水素極層６側と酸素極層９側との間の気密性を確保できるため、金属支持体２０と電解質層７との間を別途封止する必要がない。
電解質層７は、水素極層６において生成されたＯ２－を酸素極層９に伝達させる。電解質層７は、酸化物イオン伝導性を有する緻密質材料によって構成される。電解質層７は、例えば、８ＹＳＺ、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。
電解質層７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質層７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）、ＧＤＣ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。
電解質層７の気孔率は特に制限されないが、例えば０．1％以上７％以下とすることができる。電解質層７の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
［反応防止層８］
反応防止層８は、電解質層７及び酸素極層９の間に配置される。反応防止層８は、電解質層７を介して水素極層６の反対側に配置される。本実施形態において、反応防止層８は、電解質層７に接続される。反応防止層８は、電解質層７と酸素極層９とが反応して電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制する機能を有する。反応防止層８は、本発明に係る「機能層」の一例である。
反応防止層８は、電解質層７及び酸素極層９の間に配置される。反応防止層８は、電解質層７を介して水素極層６の反対側に配置される。本実施形態において、反応防止層８は、電解質層７に接続される。反応防止層８は、電解質層７と酸素極層９とが反応して電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制する機能を有する。反応防止層８は、本発明に係る「機能層」の一例である。
反応防止層８は、酸化物イオン伝導性材料によって構成される。反応防止層８は、ＧＤＣ、ＳＤＣなどによって構成することができる。
反応防止層８の気孔率は特に制限されないが、例えば０．1％以上５０％以下とすることができる。反応防止層８の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。
［酸素極層９］
酸素極層９は、電解質層７を基準として水素極層６の反対側に配置される。本実施形態では、電解セル１が反応防止層８を備えているため、酸素極層９は反応防止層８上に配置される。電解セル１が反応防止層８を備えていない場合、酸素極層９は電解質層７上に配置される。
酸素極層９は、電解質層７を基準として水素極層６の反対側に配置される。本実施形態では、電解セル１が反応防止層８を備えているため、酸素極層９は反応防止層８上に配置される。電解セル１が反応防止層８を備えていない場合、酸素極層９は電解質層７上に配置される。
酸素極層９は、下記（２）式の化学反応に従って、水素極層６から電解質層７を介して伝達されるＯ２－からＯ２を生成する。
・酸素極層９：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－・・・（２）
・酸素極層９：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－・・・（２）
酸素極層９は、酸化物イオン伝導性及び電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。酸素極層９は、例えば（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、及び（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３のうち１つ以上と酸化物イオン伝導材料（ＧＤＣなど）との複合物によって構成することができる。
酸素極層９の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％以上６０％以下とすることができる。酸素極層９の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
酸素極層９の形成方法は特に制限されず、焼成法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などを用いることができる。
［金属支持体２０］
金属支持体２０は、セル本体部１０を支持する。金属支持体２０は、板状に形成される。金属支持体２０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体２０は電解セル１の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。
金属支持体２０は、セル本体部１０を支持する。金属支持体２０は、板状に形成される。金属支持体２０は、平板状であってもよいし、曲板状であってもよい。金属支持体２０は電解セル１の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。
金属支持体２０は、複数の供給孔２１、第１主面２０Ｓ、及び第２主面２０Ｔを有する。
各供給孔２１は、第１主面２０Ｓから第２主面２０Ｔまで金属支持体２０を貫通する。各供給孔２１は、第１主面２０Ｓ及び第２主面２０Ｔに開口する。各供給孔２１は、第１主面２０Ｓのうち水素極層６に接合される領域に形成される。各供給孔２１は、金属支持体２０と流路部材３０との間に形成される流路３０ａに繋がる。
各供給孔２１は、機械加工（例えば、パンチング加工）、レーザ加工、或いは、化学加工（例えば、エッチング加工）などによって形成することができる。或いは、金属支持体２０が多孔質金属によって構成される場合、各供給孔２１は多孔質金属内の気孔であってよい。従って、各供給孔２１は、第１主面２０Ｓ及び第２主面２０Ｔに垂直に形成されていなくてよい。
第１主面２０Ｓには、セル本体部１０が接合される。第２主面２０Ｔには、流路部材３０が接合される。第１主面２０Ｓは、第２主面２０Ｔの反対側に設けられる。
金属支持体２０は、金属材料によって構成される。例えば、金属支持体２０は、Ｃｒ（クロム）を含有する合金材料によって構成される。このような金属材料としては、Ｆｅ－Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）やＮｉ－Ｃｒ系合金鋼などが挙げられる。金属支持体２０におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４質量％以上３０質量％以下とすることができる。
金属支持体２０は、Ｔｉ（チタン）やＺｒ（ジルコニウム）を含有していてもよい。金属支持体２０におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１ｍｏｌ％以上１．０ｍｏｌ％以下とすることができる。金属支持体２０におけるＺｒの含有率は特に制限されないが、０．０１ｍｏｌ％以上０．４ｍｏｌ％以下とすることができる。金属支持体２０は、ＴｉをＴｉＯ２（チタニア）として含有していてもよいし、ＺｒをＺｒＯ２（ジルコニア）として含有していてもよい。
金属支持体２０は、金属支持体２０の構成元素が酸化することによって形成される酸化皮膜を表面に有していてよい。酸化皮膜としては、例えば酸化クロム膜が代表的である。酸化皮膜は、金属支持体２０の表面を部分的又は全体的に覆う。また、酸化皮膜は、各供給孔２１の内壁面を部分的又は全体的に覆っていてもよい。
［流路部材３０］
流路部材３０は、金属支持体２０の第２主面２０Ｔに接合される。流路部材３０は、金属支持体２０との間に流路３０ａを形成する。流路３０ａには、原料ガスが供給される。流路３０ａに供給された原料ガスは、金属支持体２０の各供給孔２１を介して、セル本体部１０の水素極層６に供給される。
流路部材３０は、金属支持体２０の第２主面２０Ｔに接合される。流路部材３０は、金属支持体２０との間に流路３０ａを形成する。流路３０ａには、原料ガスが供給される。流路３０ａに供給された原料ガスは、金属支持体２０の各供給孔２１を介して、セル本体部１０の水素極層６に供給される。
流路部材３０は、例えば、合金材料によって構成することができる。流路部材３０は、金属支持体２０と同様の材料によって形成されていてよい。この場合、流路部材３０は、金属支持体２０と実質的に一体であってよい。
流路部材３０は、枠体３１及びインターコネクタ３２を有する。枠体３１は、流路３０ａの側方を取り囲む環状部材である。枠体３１は、金属支持体２０の第２主面２０Ｔに接合される。インターコネクタ３２は、電解セル１を外部電源又は他の電解セルと電気的に直列に接続する板状部材である。インターコネクタ３２は、枠体３１に接合される。
このように、本実施形態に係る流路部材３０では、枠体３１及びインターコネクタ３２が別部材となっているが、枠体３１及びインターコネクタ３２は一体であってよい。
［電解質層７と反応防止層８との界面構造］
次に、電解質層７と反応防止層８との界面構造について説明する。図２は、水素極６及び電解質層７の断面図である。図２には、水素極６及び電解質層７の厚み方向に沿った断面が図示されている。厚み方向とは、金属支持体２０の第１主面２０Ｓに垂直な方向である。
次に、電解質層７と反応防止層８との界面構造について説明する。図２は、水素極６及び電解質層７の断面図である。図２には、水素極６及び電解質層７の厚み方向に沿った断面が図示されている。厚み方向とは、金属支持体２０の第１主面２０Ｓに垂直な方向である。
図２に示すように、電解質層７及び反応防止層８の間には応力緩和部４０が配置されている。応力緩和部４０は、面方向における反応防止層８の電解質層７に対する所定範囲内での伸縮を許容する。
具体的には、電解セル１の作動開始時及び作動終了時に、反応防止層８及び電解質層７の熱膨張係数差に起因して反応防止層８が電解質層７に対して面方向に伸縮する際、応力緩和部４０は、反応防止層８が電解質層７に対して伸縮することを敢えて許容しつつも、その伸縮を所定範囲内に制限する。これによって、反応防止層８及び電解質層７の界面に生じる熱応力を緩和させながら、面方向において反応防止層８が電解質層７から過剰にずれてしまうことを抑制できるため、電解質層７が反応防止層８から剥離することを抑制できる。
面方向とは、反応防止層８及び電解質層７の界面に沿った方向である。面方向は、金属支持体２０の第１主面２０Ｓと実質的に平行であってよい。
応力緩和部４０は、セラミック材料によって構成することができる。セラミック材料としては、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料が好適であり、電解質層７に用いられるＹＳＺ（８ＹＳＺ）、ＧＤＣ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。ただし、セラミック材料はこれらに限られず、ＣＳＺ，ＬＤＣ，ＬＳＣ、ＬＳＣＦなどを用いてもよい。
図２に示すように、反応防止層８は、電解質層側表面８Ｓと、第１凹部８ａとを有する。
電解質層側表面８Ｓは、反応防止層８の表面のうち電解質層７と接触する領域である。電解質層側表面８Ｓは、実質的に平坦であってよいが、電解質層側表面８Ｓを微視的に観察した場合、反応防止層８の構成粒子の外縁に沿った凹凸（テクスチャ）が存在していてもよい。
第１凹部８ａは、電解質層側表面８Ｓに形成される。第１凹部８ａは、反応防止層８を貫通しない。すなわち、第１凹部８ａは、貫通孔ではなく有底凹部である。第１凹部８ａの輪郭形状は特に限られないが、本実施形態において第１凹部８ａの輪郭は円弧状である。第１凹部８ａのサイズは特に限られず、反応防止層８の構成粒子の外縁に沿った凹凸より大きければよい。
図２に示すように、電解質７は、機能層側表面７Ｓと、第２凹部７ａとを有する。
機能層側表面７Ｓは、電解質７の表面のうち反応防止層８と接触する領域である。機能層側表面７Ｓは、実質的に平坦であってよいが、機能層側表面７Ｓを微視的に観察した場合、電解質７の構成粒子の外縁に沿った凹凸が存在していてもよい。
第２凹部７ａは、機能層側表面７Ｓに形成される。第２凹部７ａは、電解質７を貫通しない。すなわち、第２凹部７ａは、貫通孔ではなく有底凹部である。第２凹部７ａの輪郭形状は特に限られないが、本実施形態において第２凹部７ａの輪郭は円弧状である。第２凹部７ａのサイズは特に限られず、電解質７の構成粒子の外縁に沿った凹凸より大きければよい。
図２に示すように、応力緩和部４０は、第１部分４１と、第２部分４２とを有する。
第１部分４１は、反応防止層８の第１凹部８ａ内に配置される。第１部分４１は、第１凹部８ａの内面に接続される。第１部分４１は、反応防止層８の伸縮に伴って、反応防止層８とともに面方向に移動する。
本実施形態では、第１部分４１が第１凹部８ａに埋設されており、第１部分４１の輪郭と第１凹部８ａの輪郭とが一致している。すなわち、第１部分４１の全体が第１凹部８ａの内面に接続されている。そのため、反応防止層８に対する第１部分４１の接続性を向上させることができる。ただし、第１部分４１の少なくとも一部が第１凹部８ａの内面に接続されていればよい。
第２部分４２は、電解質７の第２凹部７ａ内に配置される。第２部分４２の少なくとも一部は、第２凹部７ａの内面から離れている。すなわち、第２部分４２と第２凹部７ａとの間には空隙が存在する。従って、反応防止層８が伸縮した場合、第２部分４２が第２凹部７ａの内面に当接するまでは反応防止層８の伸縮が許容されるため、反応防止層８及び電解質層７の界面に生じる熱応力を緩和させることができる。また、第２部分４２が第２凹部７ａの内面に当接した後は反応防止層８の伸縮が制限されるため、面方向において反応防止層８が電解質層７から過剰にずれてしまうことを抑制できる。その結果、電解質層７が反応防止層８から剥離することを抑制できる。
本実施形態では、第２部分４２の全体が第２凹部７ａの内面から離れている。そのため、面方向における第２部分４２の移動、すなわち、面方向における反応防止層８の伸縮をスムーズに行うことができる。ただし、第２部分４２の一部は第２凹部７ａの内面に接触していてもよい。
図２に示した界面構造は、次のように形成することができる。まず、水素極層６上に電解質層７の材料スラリーを塗布して電解質層７の成形体を形成する。次に、電解質層７の成形体の表面に造孔材を点状に塗布する。次に、点状に塗布された造孔材の上に粉末状又は塊状のセラミックスを配置する。次に、電解質層７の成形体の表面を覆うように反応防止層８の材料スラリーを塗布して反応防止層８の成形体を形成する。次に、電解質層７及び反応防止層８それぞれの成形体を焼成することによって、電解質層７及び反応防止層８が形成されるとともに、粉末状又は塊状のセラミックスから応力緩和部４０が形成される。応力緩和部４０の第１部分４１は反応防止層８に埋設され、造孔材が焼失することで応力緩和部４０の第２部分４２は電解質層７から離れる。
２．第２実施形態
第２実施形態に係る応力緩和部５０の構成について説明する。応力緩和部５０以外の構成については上記第１実施形態に説明したとおりである。
第２実施形態に係る応力緩和部５０の構成について説明する。応力緩和部５０以外の構成については上記第１実施形態に説明したとおりである。
図３は、水素極６及び電解質層７の断面図である。図３には、水素極６及び電解質層７の厚み方向に沿った断面が図示されている。
図３に示すように、電解質層７及び反応防止層８の間には応力緩和部５０が配置されている。応力緩和部５０は、面方向における反応防止層８の電解質層７に対する所定範囲内での伸縮を許容する。
具体的には、電解セル１の作動開始時及び作動終了時に、反応防止層８及び電解質層７の熱膨張係数差に起因して反応防止層８が電解質層７に対して面方向に伸縮する際、応力緩和部５０は、反応防止層８が電解質層７に対して伸縮することを敢えて許容しつつも、その伸縮を所定範囲内に制限する。これによって、反応防止層８及び電解質層７の界面に生じる熱応力を緩和させながら、面方向において反応防止層８が電解質層７から過剰にずれてしまうことを抑制できるため、電解質層７が反応防止層８から剥離することを抑制できる。
応力緩和部５０は、内部に空隙５０ａを有する。応力緩和部５０に外力がかかると、空隙５０ａの幅は狭くなったり広がったりする。このように、応力緩和部５０自体が伸縮可能である。空隙５０ａの数、位置、サイズなどは適宜変更可能である。
応力緩和部５０は、セラミックス材料によって構成することができる。セラミックス材料としては、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない材料が好適であり、電解質層７に用いられるＹＳＺ（８ＹＳＺ）、ＧＤＣ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。ただし、セラミックス材料はこれらに限られず、ＣＳＺ，ＬＤＣ，ＬＳＣ、ＬＳＣＦなどを用いてもよい。
図３に示すように、反応防止層８は、電解質層側表面８Ｔと、第１凹部８ｂとを有する。
電解質層側表面８Ｔは、反応防止層８の表面のうち電解質層７と接触する領域である。電解質層側表面８Ｔは、実質的に平坦であってよいが、電解質層側表面８Ｔを微視的に観察した場合、反応防止層８の構成粒子の外縁に沿った凹凸が存在していてもよい。
第１凹部８ｂは、電解質層側表面８Ｔに形成される。第１凹部８ｂは、反応防止層８を貫通しない。すなわち、第１凹部８ｂは、貫通孔ではなく有底凹部である。第１凹部８ｂの輪郭形状は特に限られないが、本実施形態において第１凹部８ｂの輪郭は円弧状である。第１凹部８ｂのサイズは特に限られず、反応防止層８の構成粒子の外縁に沿った凹凸より大きければよい。
図３に示すように、電解質７は、機能層側表面７Ｔと、第２凹部７ｂとを有する。
機能層側表面７Ｔは、電解質７の表面のうち反応防止層８と接触する領域である。機能層側表面７Ｔは、実質的に平坦であってよいが、機能層側表面７Ｔを微視的に観察した場合、電解質７の構成粒子の外縁に沿った凹凸が存在していてもよい。
第２凹部７ｂは、機能層側表面７Ｔに形成される。第２凹部７ｂは、電解質７を貫通しない。すなわち、第２凹部７ｂは、貫通孔ではなく有底凹部である。第２凹部７ｂの輪郭形状は特に限られないが、本実施形態において第２凹部７ｂの輪郭は円弧状である。第２凹部７ｂのサイズは特に限られず、電解質７の構成粒子の外縁に沿った凹凸より大きければよい。
図３に示すように、応力緩和部５０は、第１部分５１と、第２部分５２とを有する。
第１部分５１は、反応防止層８の第１凹部８ｂ内に配置される。第１部分５１は、第１凹部８ｂの内面に接続される。本実施形態では、第１部分５１が第１凹部８ｂに埋設されており、第１部分５１の輪郭と第１凹部８ｂの輪郭とが一致している。すなわち、第１部分５１の全体が第１凹部８ｂの内面に接続されている。そのため、反応防止層８に対する第１部分５１の接続性を向上させることができる。ただし、第１部分５１の少なくとも一部が第１凹部８ｂの内面に接続されていればよい。
第２部分５２は、電解質７の第２凹部７ｂ内に配置される。そのため、第２部分５２は、第２凹部７ｂに係止されている。そして、上述の通り、応力緩和部５０の内部には空隙５０ａが形成されているため、応力緩和部５０自体が伸縮可能である。従って、反応防止層８が伸縮した場合、応力緩和部５０の伸縮が限界に到達するまでは反応防止層８の伸縮が許容されるため、反応防止層８及び電解質層７の界面に生じる熱応力を緩和させることができる。また、応力緩和部５０の伸縮が限界に到達した後は反応防止層８の伸縮が制限されるため、面方向において反応防止層８が電解質層７から過剰にずれてしまうことを抑制できる。その結果、電解質層７が反応防止層８から剥離することを抑制できる。
本実施形態において、第２部分５２は、第２凹部７ｂの内面に接続される。第２部分５２が第２凹部７ｂに埋設されており、第２部分５２の輪郭と第２凹部７ｂの輪郭とが一致している。すなわち、第２部分５２の全体が第２凹部７ｂの内面に接続されている。ただし、第２部分５２の少なくとも一部は、第２凹部７ｂの内面から離れていてもよい。これによって、上記第１実施形態で説明したとおり、第２部分５２自体を面方向に移動させることができるため、反応防止層８及び電解質層７の界面に生じる熱応力をより緩和させることができる。
図３に示した界面構造は、次のように形成することができる。まず、水素極層６上に電解質層７の材料スラリーを塗布して電解質層７の成形体を形成する。次に、電解質層７の成形体の表面に塊状の多孔質セラミックスを配置する。次に、電解質層７の成形体の表面を覆うように反応防止層８の材料スラリーを塗布して反応防止層８の成形体を形成する。次に、電解質層７及び反応防止層８それぞれの成形体を焼成することによって、電解質層７及び反応防止層８が形成されるとともに、塊状の多孔質セラミックスから応力緩和部５０が形成される。
（実施形態の変形例）
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。
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。
［変形例１］
上記実施形態において、水素極層６はカソードとして機能し、酸素極層９はアノードとして機能することとしたが、水素極層６がアノードとして機能し、酸素極層９がカソードとして機能してもよい。この場合、水素極層６と酸素極層９の構成材料を入れ替えるとともに、水素極層６の外表面に原料ガスを流す。
上記実施形態において、水素極層６はカソードとして機能し、酸素極層９はアノードとして機能することとしたが、水素極層６がアノードとして機能し、酸素極層９がカソードとして機能してもよい。この場合、水素極層６と酸素極層９の構成材料を入れ替えるとともに、水素極層６の外表面に原料ガスを流す。
［変形例２］
上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル１について説明したが、電気化学セルは電解セルに限られない。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、酸化物イオン或いはプロトンをキャリアとする燃料電池が含まれる。
上記実施形態では、電気化学セルの一例として電解セル１について説明したが、電気化学セルは電解セルに限られない。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、酸化物イオン或いはプロトンをキャリアとする燃料電池が含まれる。
［変形例３］
上記実施形態では、電解セル１が反応防止層８を備えているため、反応防止層８が電解質層７に接続される機能層であることとしたが、電解セル１が反応防止層８を備えていない場合、酸素極層９が電解質層７に接続される機能層となる。
上記実施形態では、電解セル１が反応防止層８を備えているため、反応防止層８が電解質層７に接続される機能層であることとしたが、電解セル１が反応防止層８を備えていない場合、酸素極層９が電解質層７に接続される機能層となる。
１ セル
６ 水素極層
７ 電解質層
７Ｓ，７Ｔ 機能層側表面
７ａ，７ｂ 第２凹部
８ 反応防止層
８Ｓ，８Ｔ 電解質層側表面
８ａ，８ｂ 第１凹部
９ 酸素極層
１０ セル本体部
２０ 金属支持体
２１ 供給孔
３０ 流路部材
３０ａ 流路
４０，５０ 応力緩和部
４１，５１ 第１部分
４２，５２ 第２部分
６ 水素極層
７ 電解質層
７Ｓ，７Ｔ 機能層側表面
７ａ，７ｂ 第２凹部
８ 反応防止層
８Ｓ，８Ｔ 電解質層側表面
８ａ，８ｂ 第１凹部
９ 酸素極層
１０ セル本体部
２０ 金属支持体
２１ 供給孔
３０ 流路部材
３０ａ 流路
４０，５０ 応力緩和部
４１，５１ 第１部分
４２，５２ 第２部分
Claims (3)
- 所定の機能を有する機能層と、
電極層と、
前記機能層及び前記電極層の間に配置され、前記機能層と接触する電解質層と、
前記機能層及び前記電解質層の間に配置され、前記機能層及び前記電解質層の界面に沿った面方向における前記機能層の前記電解質層に対する所定範囲内での伸縮を許容することによって前記界面に生じる熱応力を緩和させる応力緩和部と、
を備え、
前記機能層は、電解質層側表面に形成された第１凹部を有し、
前記電解質層は、機能層側表面に形成された第２凹部を有し、
前記応力緩和部は、前記第１凹部内に配置される第１部分と、前記第２凹部内に配置される第２部分とを有し、
前記第１部分の少なくとも一部は、前記第１凹部の内面に接続され、
前記第２部分の少なくとも一部は、前記第２凹部の内面から離れている、
電気化学セル。 - 所定の機能を有する機能層と、
電極層と、
前記機能層及び前記電極層の間に配置され、前記機能層と接触する電解質層と、
前記機能層及び前記電解質層の間に配置され、前記機能層及び前記電解質層の界面に沿った面方向における前記機能層の前記電解質層に対する所定範囲内での伸縮を許容することによって前記界面に生じる熱応力を緩和させる応力緩和部と、
を備え、
前記機能層は、電解質層側表面に形成された第１凹部を有し、
前記電解質層は、機能層側表面に形成された第２凹部を有し、
前記応力緩和部は、前記第１凹部内に配置される第１部分と、前記第２凹部内に配置される第２部分とを有し、
前記応力緩和部は、内部に空隙を有する、
電気化学セル。 - 前記電極層を支持し、複数の供給孔を有する板状の金属支持体をさらに備える、
請求項１又は２に記載の電気化学セル。
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Citations (3)
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| JP2013179039A (ja) | 2012-02-02 | 2013-09-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 膜電極接合体及び膜電極接合体の製造方法 |
| JP2017076617A (ja) | 2015-10-16 | 2017-04-20 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池 |
| JP2022112590A (ja) | 2021-01-22 | 2022-08-03 | 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 | 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック |
-
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- 2022-03-08 JP JP2022035315A patent/JP7333439B1/ja active Active
Patent Citations (3)
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