知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特開2023-96113電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023096113
(43)【公開日】2023-07-06
(54)【発明の名称】電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
(51)【国際特許分類】
H01M 4/86 20060101AFI20230629BHJP
H01M 8/1213 20160101ALI20230629BHJP
H01M 8/1253 20160101ALI20230629BHJP
H01M 8/2475 20160101ALI20230629BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20230629BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20230629BHJP
【ＦＩ】
H01M4/86 T
H01M8/1213
H01M8/1253
H01M8/2475
H01M8/04 Z
H01M4/86 M
H01M4/86 B
H01M8/12 101
H01M8/12 102C
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023082119
(22)【出願日】2023-05-18
(62)【分割の表示】P 2022577649の分割
【原出願日】2022-09-28
(31)【優先権主張番号】P 2021161460
(32)【優先日】2021-09-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000006633
【氏名又は名称】京セラ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宮▲崎▼ 一成
(57)【要約】
【課題】セル性能を向上する。
【解決手段】電気化学セルは、第１電極層と、第２電極層と、固体電解質層とを備える。第１電極層は、イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む。固体電解質層は、第１電極層と第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する。第１材料は、第２材料よりも高い電子伝導性を有する。第１電極層は、第１材料を含む第１部位と、第１部位と固体電解質層との間に位置する第２部位とを有する。
【選択図】図３
【解決手段】電気化学セルは、第１電極層と、第２電極層と、固体電解質層とを備える。第１電極層は、イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む。固体電解質層は、第１電極層と第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する。第１材料は、第２材料よりも高い電子伝導性を有する。第１電極層は、第１材料を含む第１部位と、第１部位と固体電解質層との間に位置する第２部位とを有する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む第１電極層と、
第２電極層と、
前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する固体電解質層と
を備え、
前記第１材料は、前記第２材料よりも高い電子伝導性を有し、
前記第１電極層は、前記第１材料を含む第１部位と、前記第１部位と前記固体電解質層との間に位置する第２部位とを有する
電気化学セル。
第２電極層と、
前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する固体電解質層と
を備え、
前記第１材料は、前記第２材料よりも高い電子伝導性を有し、
前記第１電極層は、前記第１材料を含む第１部位と、前記第１部位と前記固体電解質層との間に位置する第２部位とを有する
電気化学セル。
【請求項2】
前記第１部位は、前記第１材料の含有率が前記第２部位よりも大きい
請求項１に記載の電気化学セル。
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項3】
前記第２部位は、前記第２材料の含有率が前記第１材料の含有率よりも大きい
請求項１に記載の電気化学セル。
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項4】
前記第１部位は、前記第１材料の含有率が前記第２材料の含有率よりも大きい
請求項１に記載の電気化学セル。
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項5】
前記第１部位の気孔率は、前記第２部位の気孔率よりも大きい
請求項１に記載の電気化学セル。
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項6】
前記第１部位の厚みは、前記第２部位の厚みよりも小さい
請求項１に記載の電気化学セル。
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項7】
イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む第１電極層と、
第２電極層と、
前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する固体電解質層と
を備え、
前記第１電極層は、前記固体電解質層の反対側に位置する第１面と、前記固体電解質層に接する第２面とを有し、
前記第１材料は、前記第２材料よりも高い電子伝導性を有し、前記第１面近傍の前記第１材料の含有率は、前記第２面近傍の前記第１材料の含有率より大きい
電気化学セル。
第２電極層と、
前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する固体電解質層と
を備え、
前記第１電極層は、前記固体電解質層の反対側に位置する第１面と、前記固体電解質層に接する第２面とを有し、
前記第１材料は、前記第２材料よりも高い電子伝導性を有し、前記第１面近傍の前記第１材料の含有率は、前記第２面近傍の前記第１材料の含有率より大きい
電気化学セル。
【請求項8】
前記第１材料の含有率は、前記第１面から前記第２面にかけて漸減している
請求項７に記載の電気化学セル。
請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項9】
前記第２材料の含有率は、前記第２面から前記第１面にかけて漸減している
請求項７に記載の電気化学セル。
請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項10】
前記第１材料は、セリア系化合物であり、
前記第２材料は、ジルコニア系化合物またはペロブスカイト型化合物である
請求項１または７に記載の電気化学セル。
前記第２材料は、ジルコニア系化合物またはペロブスカイト型化合物である
請求項１または７に記載の電気化学セル。
【請求項11】
前記第２材料は、安定化ジルコニアである
請求項１または７に記載の電気化学セル。
請求項１または７に記載の電気化学セル。
【請求項12】
前記第１材料は、ＳｍまたはＧｄが固溶したＣｅＯ２である
請求項１または７に記載の電気化学セル。
請求項１または７に記載の電気化学セル。
【請求項13】
請求項１または７に記載の電気化学セルを含むセルスタックを有する
電気化学セル装置。
電気化学セル装置。
【請求項14】
請求項１３に記載の電気化学セル装置と、
前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
を備えるモジュール。
前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
を備えるモジュール。
【請求項15】
請求項１４に記載のモジュールと、
前記モジュールの運転を行うための補機と、
前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
を備えるモジュール収容装置。
前記モジュールの運転を行うための補機と、
前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
を備えるモジュール収容装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数有する燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる電気化学セルの一種である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特表２０１４－５２４６５５号公報
【発明の概要】
【0004】
実施形態の一態様に係る電気化学セルは、第１電極層と、第２電極層と、固体電解質層とを備える。第１電極層は、イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む。固体電解質層は、前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置し、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有する。前記第１材料は、前記第２材料よりも高い電子伝導性を有する。前記第１電極層は、前記第１材料を含む第１部位と、前記第１部位と前記固体電解質層との間に位置する第２部位とを有する。
【0005】
また、本開示の電気化学セル装置は、上記に記載の電気化学セルを含むセルスタックを有する。
【0006】
また、本開示のモジュールは、上記に記載の電気化学セル装置と、前記電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。
【0007】
また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、前記モジュールの運転を行うための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して、本願の開示する電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。
【0010】
また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。
【0011】
［第１の実施形態］
＜電気化学セルの構成＞
まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。
＜電気化学セルの構成＞
まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。
【0012】
図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図であり、図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。
【0013】
図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが、たとえば１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば１ｍｍ～５ｍｍである。
【0014】
図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する第１面ｎ１、第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
【0015】
素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１上に設けられている。かかる素子部３は、燃料極層５と、固体電解質層６と、空気極層８とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の第２面ｎ２上にインターコネクタ４が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極層８との間に中間層７を備えていてもよい。
【0016】
また、図１Ｂに示すように、空気極層８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが第１面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。
【0017】
以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。
【0018】
支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａを流れる燃料ガスを燃料極層５まで透過させる。支持基板２は、導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。
【0019】
支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。
【0020】
燃料極層５は、多孔質の導電性セラミックスであってもよい。燃料極層５の材料としては、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。燃料極層５は、第１電極層の一例である。
【0021】
また、燃料極層５は、たとえば、Ｌａ（ランタン）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などの希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含んでもよい。燃料極層５は、希土類元素が固溶したＢａＭＯ３、ＳｒＭＯ３（ただし、ＭはＺｒおよび／またはＣｅ）などのペロブスカイト型化合物を含んでもよい。
【0022】
燃料極層５中の希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２、ＣｅＯ２、ＢａＭＯ３、ＳｒＭＯ３などの含有量は、３５体積％～６５体積％の範囲としてもよい。またＮｉおよび／またはＮｉＯの含有量は、６５体積％～３５体積％としてもよい。燃料極層５の気孔率は、１５％以上、特に２０％～４０％の範囲としてもよい。燃料極層５の厚みは、１μｍ～３０μｍとしてもよい。なお、燃料極層５の詳細については、後述する。
【0023】
固体電解質層６は、電解質であり、燃料極層５と空気極層８との間でイオンの受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。
【0024】
固体電解質層６は、Ｚｒを含有する。固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物、酸化カルシウム、または酸化マグネシウムが固溶したＺｒＯ２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６の材料は、たとえばＹｂを含有する安定化ジルコニアであってもよい。固体電解質層６は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂなどの希土類元素が固溶したＢａＺｒＯ３、ＳｒＺｒＯ３などのペロブスカイト型化合物を含んでもよい。
【0025】
空気極層８は、ガス透過性を有している。空気極層８は、第２電極層の一例である。空気極層８の開気孔率は、たとえば２０％～５０％、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。
【0026】
空気極層８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極層８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物など導電性セラミックスでもよい。
【0027】
空気極層８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。
【0028】
また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。空気極層８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）などの元素が固体電解質層６に拡散すると、かかる固体電解質層６にたとえばＳｒＺｒＯ３などの抵抗層が形成される。中間層７は、Ｓｒを拡散させにくくすることで、ＳｒＺｒＯ３その他の電気絶縁性を有する酸化物が形成されにくくする。
【0029】
中間層７の材料は、一般的に空気極層８と固体電解質層６との間の元素の拡散抑制層に用いられるものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含んでもよい。かかる希土類元素としては、たとえば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。
【0030】
また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。
【0031】
インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。また、インターコネクタ４の材料として金属または合金を用いてもよい。
【0032】
＜電気化学セル装置の構成＞
次に、上述した電気化学セルを用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。
次に、上述した電気化学セルを用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。
【0033】
【0034】
固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、たとえば金属製であり導電性を有している。
【0035】
図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。
【0036】
ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。
【0037】
図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図４参照）で生成される。
【0038】
水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。
【0039】
図２Ａに示す例では、セルスタック装置１０は、２列のセルスタック１１、２つの支持体１５、およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１はそれぞれ、複数のセル１を有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。図２Ａでは、２列のセルスタック１１を有するセルスタック装置１０を示したが、セルスタック装置は１列のセルスタック１１を有してもよいし、３列以上のセルスタック１１を有してもよい。
【0040】
挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きくてもよい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きくてもよい。
【0041】
図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部には、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。
【0042】
固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。
【0043】
結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ２Ｏ３系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＭｇＯ系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。
【0044】
また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、導電部材１８が介在している。導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と他方のセル１の空気極層８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極層８とを接続している。なお、インターコネクタ４が金属または合金である場合、インターコネクタ４と導電部材１８とが一体化していてもよいし、導電部材１８がインターコネクタ４を兼ねてもよい。
【0045】
また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。
【0046】
また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。
【0047】
正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。
【0048】
接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。
【0049】
【0050】
図３に示すように、燃料極層５は、第１部位５Ａおよび第２部位５Ｂを有している。第１部位５Ａは、支持基板２に接するように位置している。第２部位５Ｂは、第１部位５Ａと固体電解質層６との間に位置している。燃料極層５の厚みは、たとえば、２０μｍ以下であってもよい。第２部位５Ｂは、固体電解質層６に接するように位置していてもよい。
【0051】
燃料極層５は、イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む。第１材料は、第２材料よりも高い電子伝導性を有する。第１材料および第２材料の電子伝導性は、たとえば、第１材料の組成を有する矩形状の焼結体および第２材料の組成を有する矩形状の焼結体を作製し、各焼結体のイオン輸率と電気伝導度を測定することで、それぞれ評価することができる。
【0052】
第１材料は、セリウムを含有してもよい。第１材料は、たとえば、ＣｅＯ２を含有するセリア系化合物であってもよい。第１材料は、たとえば、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｙｂなどが固溶したＣｅＯ２であってもよい。第１材料は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂなどの希土類元素が固溶したＢａＭＯ３、ＳｒＭＯ３（ただし、ＭはＺｒおよび／またはＣｅ）などのペロブスカイト型化合物であってもよい。燃料極層５は、複数種類の第１材料を含んでもよい。
【0053】
第２材料は、Ｚｒを含有する。第２材料は、たとえば、ジルコニア系化合物またはペロブスカイト型化合物であってもよい。第２材料は、たとえば、Ｙｂを含有する安定化ジルコニアであってもよい。第２材料は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｙｂなどの希土類元素が固溶したＢａＺｒＯ３、ＳｒＺｒＯ３などのペロブスカイト型化合物であってもよい。燃料極層５は、複数種類の第２材料を含んでもよい。
【0054】
第１部位５Ａは、第１材料を含んでいる。第１部位５Ａは、第２部位５Ｂよりも第１材料の含有率が大きくてもよい。第２部位５Ｂは、第１部位５Ａよりも第２材料の含有率が大きくてもよい。第１部位５Ａでは、第１材料の含有率が第２材料の含有率よりも大きくてもよい。第２部位５Ｂでは、第２材料の含有率が第１材料の含有率よりも大きくてもよい。ここで、第１材料および第２材料の含有率は、たとえば、ＥＰＭＡを用いた元素分析により確認できる。具体的には、たとえば素子部３の積層方向の断面を鏡面研磨し、燃料極層５を厚さ方向に二等分し、支持基板２側を第１部位５Ａとし、固体電解質層６側を第２部位５Ｂとする。第２部位５Ｂとした断面において所定の面積で、第１材料および第２材料をそれぞれ半定量分析することにより、それぞれの単位面積当たりの含有率を算出することができる。元素分析を行う面積は、たとえば第２部位５Ｂの厚さ以下の長さを一辺の長さとする四角形の面積としてもよい。なお、ここでいう第１材料の含有率とは、測定領域で検出される元素の合計質量に対する、第１材料を構成する主たる元素（例えばＣｅ）の質量とする。
【0055】
また、第１部位５Ａおよび第２部位５Ｂは、たとえば、ＥＰＭＡを用いた元素分析により、第１材料の含有率が固体電解質層６の近傍より大きいと判断される部分を第１部位５Ａとし、固体電解質層６近傍の部分を第２部位５Ｂとすることにより区分してもよい。また、第１材料の含有率が第２材料の含有率よりも大きいと判断される部分を第１部位５Ａとし、残りの部分を第２部位５Ｂとすることにより区分してもよい。具体的には、たとえば素子部３の積層方向の断面を鏡面研磨し、ＥＰＭＡにより各元素をそれぞれ面分析、または積層方向に線分析し、各元素の濃度マッピング、または濃度プロファイルを得る。得られた各元素の濃度マッピング結果または濃度プロファイル結果から、燃料極層５のうち第１材料の含有率が、固体電解質層６の近傍より大きい、または第２材料の含有率よりも大きい領域を第１部位５Ａとし、それ以外の領域を第２部位５Ｂとすることができる。
【0056】
このように、第１部位５Ａが高い電子伝導性を有する第１材料を含むことにより、燃料極層５の電極活性および導電率を高めることができる。また、第１材料の含有率が、固体電解質層６の近傍より大きい、または第２材料の含有率よりも大きい第１部位５Ａと、固体電解質層６との間に、第２部位５Ｂを有することにより、第１材料に由来する成分が固体電解質層６に拡散しにくくなり、固体電解質層６または固体電解質層６と燃料極層５との界面に低導電性の反応層が形成されにくくなる。その結果、固体電解質層６と燃料極層５との間で導電率が低下する不具合を低減することができる。このため、本実施形態に係るセル１によれば、発電性能を向上することができる。なお、固体電解質層６は、第１材料の構成成分、たとえば、Ｓｍ、ＧｄおよびＣｅを含まなくてもよい。
【0057】
また、第１部位５Ａの気孔率は、第２部位５Ｂの気孔率よりも大きくてもよい。これにより、支持基板２側に位置する第１部位５Ａにおいて燃料ガスが透過しやすくなる。
【0058】
また、第１部位５Ａの厚みは、第２部位５Ｂの厚みよりも小さくてもよい。これにより、支持基板２側に位置する第１部位５Ａにおいて燃料ガスが透過しやすくなる。
【0059】
また、燃料極層５の固体電解質層６の反対側に位置する面を第１面とし、固体電解質層６に接する面を第２面としたとき、第１面近傍における第１材料の含有率は、第２面近傍における第１材料の含有率よりも大きくてもよい。第１面近傍とは、燃料極層５のうち固体電解質層６よりも第１面に近い領域であり、第２面近傍とは、燃料極層５のうち第１面よりも固体電解質層６に近い領域である。第１材料の含有率の平均値は、第１面から第２面にかけて漸減していてもよい。また、第２材料の含有率の平均値は、第２面から第１面にかけて漸減していてもよい。このように、高い電子伝導性を有する第１材料の含有率が、第１面近傍において第２面近傍より大きいことにより、燃料極層５の電極活性および導電率を高めることができる。また、第２面近傍に低導電率の反応層が形成されにくくすることができる。
【0060】
各材料の含有率の平均値は、以下のようにして得られる。たとえば素子部３の積層方向の断面を鏡面研磨し、ＥＰＭＡにより各元素をそれぞれ面分析、または積層方向に少なくとも５か所の線分析し、各元素の濃度マッピング、または濃度プロファイルを得る。得られた濃度マッピングまたは濃度プロファイルのデータを、燃料極層５と固体電解質層６との界面に沿った方向に積算し、各元素の濃度の平均値を算出する。このようにして得られた、各材料を構成する主たる元素の濃度の平均値を、各材料の含有率の平均値とすればよい。
【0061】
＜モジュール＞
次に、上述した電気化学セル装置を用いた本実施形態に係るモジュールについて、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図４では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。
次に、上述した電気化学セル装置を用いた本実施形態に係るモジュールについて、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図４では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。
【0062】
図４に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１と、収納容器１０１内に収納されたセルスタック装置１０とを備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。
【0063】
かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。
【0064】
そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。
【0065】
また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００℃～１０００℃程度となる。
【0066】
このようなモジュール１００においては、上述したように、発電性能を向上するセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、発電性能を向上するモジュール１００とすることができる。
【0067】
＜モジュール収容装置＞
図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図４で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図４で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
【0068】
図５に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図５では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。
【0069】
また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。
【0070】
このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、発電性能を向上するモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、発電性能を向上するモジュール収容装置１１０とすることができる。
【0071】
なお、上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。
【0072】
【0073】
上述の実施形態では、支持基板の表面に燃料極層、固体電解質層および空気極層を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」の電気化学セルを配列した横縞型の電気化学セル装置に適用することができる。
【0074】
【0075】
図６に示すように、第２の実施形態に係るセルスタック装置１０Ａは、燃料ガスを流通させる配管２２ａから複数のセル１Ａが長さ方向Ｌに延びている。セル１Ａは、支持基板２上に複数の素子部３を有している。支持基板２の内部には、配管２２ａからの燃料ガスが流れるガス流路２ａが設けられている。
【0076】
また、各セル１Ａは、接続部材３１を介して互いに電気的に接続されている。接続部材３１は、各セル１Ａがそれぞれ有する素子部３の間に位置しており、隣り合うセル１Ａを接続している。具体的には、接続部材３１は、隣り合うセル１Ａのうち一方のセル１Ａの素子部３の空気極層８と、他方のセル１Ａの素子部３の燃料極層５とを、電気的に接続している。
【0077】
また、図７に示すように、セル１Ａは、支持基板２と、一対の素子部３と、封止部３０とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面である第１面ｎ１および第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
【0078】
一対の素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１および第２面ｎ２上に、互いに対向するように位置している。また、封止部３０は、支持基板２の側面ｍを覆うように位置している。
【0079】
セル１Ａは、厚み方向Ｔの中心を通り且つ支持基板２の主面に平行な面に対して対称の形状である。素子部３は、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８がこの順に積層されている。
【0080】
【0081】
固体電解質層６は、Ｚｒを含有している。また、燃料極層５は、第１材料を含む第１部位５Ａと、第１部位５Ａと固体電解質層６との間に位置する第２部位５Ｂとを有する。これにより、燃料極層５の電極活性および導電率を高めることができる。また、燃料極層５の固体電解質層６の反対側に位置する第１面近傍における第１材料の含有率は、固体電解質層６に接する第２面近傍における第１材料の含有率よりも大きくてもよい。これにより、第１材料に由来する成分が固体電解質層６に拡散しにくくなり、固体電解質層６または固体電解質層６と燃料極層５との界面に低導電性の反応層が形成されにくくなる。その結果、固体電解質層６と燃料極層５との間で導電率が低下する不具合を低減することができる。このため、本実施形態に係るセル１Ａによれば、発電性能を向上することができる。
【0082】
【0083】
図９Ａに示すように、セル１Ｂは、燃料極層５、固体電解質層６および空気極層８が積層された素子部３Ｂを有している。素子部３Ｂは、固体電解質層６が、燃料極層５および空気極層８に挟まれた部位である。複数の平板型セルを積層させた電気化学セル装置は、たとえば複数のセル１Ｂが、互いに隣り合う金属層である導電部材９１，９２により電気的に接続されている。導電部材９１，９２は、隣接するセル１Ｂ同士を電気的に接続するとともに、燃料極層５または空気極層８にガスを供給するガス流路を有している。
【0084】
図９Ｂに示すように、平板型セルスタックの燃料ガスの流路９８と酸素含有ガスの流路９７とを気密に封止する封止材を有している。封止材はセルの固定部材９６であり、接合材９３およびフレームである支持部材９４，９５を有する。接合材９３は、ガラスであってもよいし、銀ロウなどの金属材料であってもよい。
【0085】
支持部材９４は、燃料ガスの流路９８と酸素含有ガスの流路９７とを区画するいわゆるセパレータであってもよい。支持部材９４，９５の材料は、例えば導電性の金属であってもよいし、絶縁性のセラミックスであってもよい。支持部材９４，９５は両方またはいずれか一方が絶縁性の材料であってもよい。支持部材９４が金属であった場合、支持部材９４は導電部材９２と一体化していてもよい。
【0086】
支持部材９４，９５のうちいずれか１つは絶縁性であり、平板型セルを挟む２つの導電部材９１，９２を互いに電気的に絶縁している。
【0087】
【0088】
固体電解質層６は、Ｚｒを含有している。また、燃料極層５は、第１材料を含む第１部位５Ａと、第１部位５Ａと固体電解質層６との間に位置する第２部位５Ｂとを有する。これにより、燃料極層５の電極活性および導電率を高めることができる。また、燃料極層５の固体電解質層６の反対側に位置する第１面近傍における第１材料の含有率は、固体電解質層６に接する第２面近傍における第１材料の含有率よりも大きくてもよい。これにより、第１材料に由来する成分が固体電解質層６に拡散しにくくなり、固体電解質層６または固体電解質層６と燃料極層５との界面に低導電率の反応層が形成されにくくなる。その結果、固体電解質層６と燃料極層５との間で導電率が低下する不具合を低減することができる。このため、本実施形態に係るセル１Ｂによれば、発電性能を向上することができる。
【0089】
［第４の実施形態］
図１０Ａは、第４の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１０Ｂ、図１０Ｃは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。図１１は、図１０Ａに示す領域Ｒ４の拡大図である。なお、図１１は、図１０Ｂ、図１０Ｃの例にも適用できる。
図１０Ａは、第４の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１０Ｂ、図１０Ｃは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。図１１は、図１０Ａに示す領域Ｒ４の拡大図である。なお、図１１は、図１０Ｂ、図１０Ｃの例にも適用できる。
【0090】
図１０Ａ～図１０Ｃに示すように、セル１Ｃは、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８が積層された素子部３Ｃと、支持基板２とを有している。支持基板２は、素子部３と接する部位に貫通孔または細孔を有するとともに、ガス流路２ａの外側に位置する部材１２０を有する。支持基板２は、ガス流路２ａと素子部３Ｃとの間でガスを流通させることができる。支持基板２は、例えば、１または複数の金属板で構成されてもよい。金属板の材料は、クロムを含有していてもよい。金属板は、導電性の被覆層を有していてもよい。支持基板２は、隣接するセル１Ｃ同士を電気的に接続する。素子部３Ｃは、支持基板２上に直接形成されていてもよいし、接合材により支持基板２に接合されていてもよい。
【0091】
図１０Ａに示す例では、燃料極層５の側面は固体電解質層６により被覆され、燃料ガスが流れるガス流路２ａを気密に封止している。図１０Ｂに示すように、燃料極層５の側面は緻密なガラスまたはセラミックからなる封止材９で被覆され、封止されていてもよい。燃料極層５の側面を被覆する封止材９は、電気絶縁性を有していてもよい。
【0092】
また、支持基板２のガス流路２ａは、図１０Ｃに示すように凹凸を有する部材１２０により形成されていてもよい。
【0093】
【0094】
固体電解質層６は、Ｚｒを含有している。また、燃料極層５は、第１材料を含む第１部位５Ａと、第１部位５Ａと固体電解質層６との間に位置する第２部位５Ｂとを有する。これにより、燃料極層５の電極活性および導電率を高めることができる。また、燃料極層５の固体電解質層６の反対側に位置する第１面近傍における第１材料の含有率は、固体電解質層６に接する第２面近傍における第１材料の含有率よりも大きくてもよい。これにより、第１材料に由来する成分が固体電解質層６に拡散しにくくなり、固体電解質層６または固体電解質層６と燃料極層５との界面に低導電率の反応層が形成されにくくなる。その結果、固体電解質層６と燃料極層５との間で導電率が低下する不具合を低減することができる。このため、本実施形態に係るセル１Ｃによれば、発電性能を向上することができる。
【0095】
＜その他の実施形態＞
つづいて、その他の実施形態に係る電気化学セル装置について説明する。
つづいて、その他の実施形態に係る電気化学セル装置について説明する。
【0096】
上記した各実施形態では、「電気化学セル」、「電気化学セル装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。電解セルは、第１電極層および第２電極層を有し、電力の供給により、水蒸気を水素と酸素に分解する、または二酸化炭素を一酸化炭素と酸素に分解する。また、上記実施形態では電気化学セルの電解質材料の一例として酸化物イオン伝導体または水素イオン伝導体を示したが、水酸化物イオン伝導体であってもよい。このような電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置によれば、電解性能を向上することができる。
【0097】
以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【0098】
以上のように、実施形態に係る電気化学セル（セル１）は、第１電極層（燃料極層５）と、第２電極層（空気極層８）と、固体電解質層６とを備える。第１電極層は、イオン伝導性を有する第１材料および第２材料を含む。固体電解質層６は、第１電極層と第２電極層との間に位置し、Ｚｒを含有する。第１材料は、第２材料よりも高い電子伝導性を有する。第１電極層は、第１材料を含む第１部位５Ａと、第１部位５Ａと固体電解質層６との間に位置する第２部位５Ｂとを有する。これにより、電気化学セルの発電性能、電解性能などのセル性能を向上することができる。
【0099】
また、実施形態に係る電気化学セル装置（セルスタック装置１０）は、上記に記載の電気化学セルを含むセルスタック１１を有する。これにより、電気化学セル装置の発電性能、電解性能などのセル性能を向上することができる。
【0100】
また、実施形態に係るモジュール１００は、上記に記載の電気化学セル装置（セルスタック装置１０）と、電気化学セル装置を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、発電性能、電解性能などのセル性能を向上するモジュール１００とすることができる。
【0101】
また、実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケース１１１とを備える。これにより、発電性能、電解性能などのセル性能を向上するモジュール収容装置１１０とすることができる。
【0102】
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【符号の説明】
【0103】
１ セル
１０ セルスタック装置
１１ セルスタック
１２ 固定部材
１３ 固定材
１４ 支持部材
１５ 支持体
１６ ガスタンク
１７ 端部集電部材
１８ 導電部材
１００ モジュール
１１０ モジュール収容装置
１０ セルスタック装置
１１ セルスタック
１２ 固定部材
１３ 固定材
１４ 支持部材
１５ 支持体
１６ ガスタンク
１７ 端部集電部材
１８ 導電部材
１００ モジュール
１１０ モジュール収容装置
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】