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(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】P2024132507
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】電気化学セル、集電体、及びセルスタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0258 20160101AFI20240920BHJP
H01M 8/1213 20160101ALI20240920BHJP
H01M 8/0247 20160101ALI20240920BHJP
H01M 8/2404 20160101ALI20240920BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240920BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240920BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240920BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240920BHJP
C25B 9/77 20210101ALI20240920BHJP
C25B 9/65 20210101ALI20240920BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20240920BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20240920BHJP
H01M 8/0206 20160101ALI20240920BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240920BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0258
H01M8/1213
H01M8/0247
H01M8/2404
C25B1/042
C25B9/00 A
C25B15/08 302
C25B9/23
C25B9/77
C25B9/65
C25B13/02 302
C25B13/04 302
H01M8/0206
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043298
(22)【出願日】2023-03-17
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100150717
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 和也
(74)【代理人】
【識別番号】100164688
【弁理士】
【氏名又は名称】金川 良樹
(72)【発明者】
【氏名】小野 貴裕
(72)【発明者】
【氏名】吉野 正人
(72)【発明者】
【氏名】松永 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】長田 憲和
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021AA09
4K021BA02
4K021BC01
4K021BC09
4K021CA02
4K021CA03
4K021CA08
4K021CA15
4K021DB04
4K021DB36
4K021DB43
4K021DB49
4K021DB53
4K021DC03
4K021DC15
4K021EA05
5H126AA08
5H126AA23
5H126BB06
5H126EE05
5H126EE22
5H126GG02
5H126JJ08
(57)【要約】
【課題】酸素極、電解質、及び燃料極を含む電極積層体とその周囲の部材との接触に起因する電気化学セルにおける不所望な内部応力や変形を抑制しつつ、電極積層体とその周囲の部材との間においてガスが流通することを抑制することができる電気化学セルを提供する。
【解決手段】一実施の形態によれば、電気化学セル１は、第１の面１０ｅ１及び第１の面１０ｅ１の反対に位置する第２の面１０ｅ２を有する電解質１０ｅと、第１の面１０ｅ１に接する酸素極１０ｃと、第２の面１０ｅ２に接する燃料極１０ａとを含む電極積層体１０と、電極積層体１０の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａとは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部２０と、を備える。
【選択図】図３
【解決手段】一実施の形態によれば、電気化学セル１は、第１の面１０ｅ１及び第１の面１０ｅ１の反対に位置する第２の面１０ｅ２を有する電解質１０ｅと、第１の面１０ｅ１に接する酸素極１０ｃと、第２の面１０ｅ２に接する燃料極１０ａとを含む電極積層体１０と、電極積層体１０の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａとは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部２０と、を備える。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の面及び前記第１の面の反対に位置する第２の面を有する電解質と、前記第１の面に接する酸素極と、前記第２の面に接する燃料極とを含む電極積層体と、
前記第１の面と前記第２の面との間に位置する前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極とは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部と、を備える、電気化学セル。
前記第１の面と前記第２の面との間に位置する前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極とは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部と、を備える、電気化学セル。
【請求項2】
前記ガス流れ制御部は、前記電極積層体と一体化されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項3】
前記ガス流れ制御部は、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から形成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項4】
前記ガス流れ抑制部は、ガス拡散性を有する金属からなる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項5】
前記電気化学セルは、複数の前記ガス流れ抑制部を備え、
複数の前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面を周回する方向に沿って間隔を空けて設けられる、請求項１に記載の電気化学セル。
複数の前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面を周回する方向に沿って間隔を空けて設けられる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項6】
前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面を周回する方向に延びる壁形状で形成されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項7】
前記電解質と前記酸素極と前記燃料極とが重なる方向で、前記酸素極又は前記燃料極に接するシート状の部材を備え、
前記シート状の部材と前記ガス流れ抑制部とが、一体化されている、請求項１に記載の電気化学セル。
前記シート状の部材と前記ガス流れ抑制部とが、一体化されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項8】
前記シート状の部材及び前記ガス流れ抑制部は、ガス拡散性を有する金属からなる、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項9】
前記シート状の部材は導電性を有し、集電体として機能する、請求項７又は８に記載の電気化学セル。
【請求項10】
前記電解質と前記酸素極と前記燃料極とが重なる方向で、前記電極積層体と重なるベース部を含むセパレータと、
前記電極積層体の側面を囲む枠体と、を備え、
前記電極積層体の側面と前記枠体との間には隙間が形成され、
前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うとともに前記枠体から離れるように前記隙間に位置する、請求項１に記載の電気化学セル。
前記電極積層体の側面を囲む枠体と、を備え、
前記電極積層体の側面と前記枠体との間には隙間が形成され、
前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うとともに前記枠体から離れるように前記隙間に位置する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項11】
前記ガス流れ抑制部は、所定の温度以上になった際、熱膨張により前記枠体に接触又は近接する、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項12】
前記ガス流れ制御部の線膨張係数は、前記枠体の線膨張係数よりも大きい、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項13】
前記枠体は、前記電極積層体に向かって突出する複数の凸部を備え、
前記ガス流れ抑制部と、前記凸部とは、互い違いに並ぶように設けられる、請求項１０に記載の電気化学セル。
前記ガス流れ抑制部と、前記凸部とは、互い違いに並ぶように設けられる、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項14】
前記枠体は、前記セパレータの一部であり、前記ベース部の外周側の部分に一体化されている、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項15】
前記電解質は、固体電解質である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項16】
電気化学セルの電極積層体における電解質と酸素極と燃料極とが重なる方向で、前記酸素極又は前記燃料極に接するように配置される集電体であって、
前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部を備える、集電体。
前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部を備える、集電体。
【請求項17】
請求項１に記載の複数の電気化学セルを重ねた、セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施の形態は、電気化学セル、集電体、及びセルスタックに関する。
【背景技術】
【0002】
電気化学セルには、固体高分子形や、固体酸化物形などの種々の形式がある。固体酸化物形電気化学セルは、電解質として固体酸化物を用いることから、その作動温度が高い（例えば６００～１０００℃）。固体酸化物形電気化学セルは、このような高い作動温度で動作することにより、高価な貴金属触媒を用いずに大きい反応速度を得られる。
【0003】
上記のように大きい反応速度を得られることで、固体酸化物形電気化学セルを燃料電池（固体酸化物形燃料電池：ＳＯＦＣ）として動作させた場合には、高い発電効率が得られる。また、固体酸化物形電気化学セルを電解セル（固体酸化物形電解セル：ＳＯＥＣ）として動作させた場合には、低い電解電圧で高効率に例えば水素を製造できる。そのため、固体酸化物形電気化学セルは、高効率の燃料電池、水素製造用の電解セル、これらを組み合わせた電力貯蔵システム等を実現するための技術として注目を集めており、その開発が進められている。
【0004】
電気化学セルは、少なくとも空気極と、電解質と、燃料極とを含む積層体（以下、電極積層体と呼ぶ場合がある。）を備える。空気極、電解質及び燃料極は、通常、互いに異なる特性を有する材料から形成される。空気極と燃料極は電気伝導体であり、一般に多孔質体で形成される。空気極と燃料極とには、電解質を境にそれぞれ異なるガスが供給される。一方で、電解質は、イオン伝導体である。
【0005】
電気化学セルの形状には、平板型や円筒型、円筒平板型などがある。例えば平板型の電気化学セルでは、空気極、電解質、燃料極などが平板状に積層される。
【0006】
多くの電力や水素を発生するために複数の電気化学セルを集積させた構造物は、一般にセルスタックと呼ばれる。例えば、複数の平板型の電気化学セルを含むセルスタックでは、複数の電気化学セルが、それぞれの厚さ方向を揃える状態で積層される。各電気化学セルの空気極と燃料極には、対応するガスが供給され、各電気化学セルは、電気的に直列に接続される。セルスタックを構成する電気化学セルは、通常、セパレータを備える。そして、セルスタックでは、電気化学セルが、自身のセパレータと他の電気化学セルとを接触させるようにして他の電気化学セルと重ねられる。このような構成では、電気化学セルごとのガスの流路が、セパレータによって隔てられる。セパレータは導電性を有し、他の電気化学セルとの電気的導通の役割も担う。
【0007】
上述のセパレータには、電気化学セルの積層方向（厚さ方向）で電極積層体と接する例えば板状のベース部分と、電極積層体の周囲を囲む枠体とで、空気極及び燃料極のうちのいずれかに対するガスの流路を区画するものがある。このような構成のセパレータでは、枠体に、ガスの供給路と、排出路とが形成されてもよい。この場合、供給路から枠体内に流入したガスは電気化学セルにおける空気極又は燃料極へ供給され、空気極又は燃料極を通過したガスは、排出路から外部に排出される。
【0008】
以上のようなセルスタックの性能を評価する指標として、例えばガスの利用率が挙げられる。例えば水素を発生させる電解モードでの運用においては、電力あたりの生成水素量が指標として重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特許第５７３４８２３号公報
【特許文献2】特許第６１７２５２４号公報
【特許文献3】特開２０２２－２４４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
電気化学セルへ供給されるガスの一部は、電気化学セルの反応領域（電極積層体における空気極・燃料極）を通過せずに排出されてしまうことがある。具体的には、例えば反応領域を迂回しようとするガスの流れや、反応領域からその外部に漏れ出るガスの流れが生じることがある。
【0011】
しかしながら、反応領域を通過しないガスの流れは反応に寄与しない。そのため、反応領域を迂回しようとするガスや、反応領域から漏れ出るガスを阻止するためのガスシール性を確保することが望まれる。そして、好適なガスシール性の確保により、空気極・燃料極における反応を効率良く行えるようにガスを流通させることが望まれる。
【0012】
上述したように電極積層体の周囲を囲む枠体が設けられる構成では、電極積層体と枠体との間に隙間が形成されることがある。この場合、この隙間において上記の反応領域を迂回しようとするガスの流れが生じ得る。ここで、電極積層体と枠体とを密着させれば、隙間におけるガスの流れが抑制され得る。しかしながら、電極積層体及び枠体の寸法加工精度のばらつきにより、電極積層体と枠体とを適正に密着させることが困難な場合がある。また、電極積層体及び枠体の昇温時の膨張による相互干渉が生じ、高温状態の作動時に電極積層体と枠体との接触面に圧力が生じ、電気化学セルに不所望な内部応力や変形が生じる虞がある。接触面における圧力が過度に大きくなった場合には、電気化学セルの破損が生じる虞もあり、この場合には、発電又は電解性能が大きく損なわれ得る。
【0013】
以上のような事情から、電気化学セルにおける電極積層体と枠体との間には隙間を設けざるを得ない場合がある。特に固体酸化物形電気化学セルが用いられる場合には、作動温度が高いために、膨張時における相互干渉が問題になることが多く、また、使用する形成材料に起因して電気化学セル（電極積層体や枠体）の寸法加工精度がばらつき易くなることがある。したがって、固体酸化物形電気化学セルにおいては、電極積層体と枠体との間に、通常、意図的に隙間を形成する。ただし、電極積層体と枠体との間の隙間が過度に大きくなると、酸素極又は燃料極を通過しないガスの増加によるガスの利用率が低下して、発電又は電解性能の低下が生じ得る。反応領域に供給されるガスが望ましい供給量から大きく不足した場合には、電気化学セルに損傷が生じることも考えられる。
【0014】
以上に鑑みて、本発明が解決しようとする課題は、酸素極、電解質、及び燃料極を含む電極積層体とその周囲の部材との接触に起因する電気化学セルにおける不所望な内部応力や変形を抑制しつつ、電極積層体とその周囲の部材との間においてガスが流通することを抑制することができる電気化学セル、集電体、及びセルスタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0015】
一実施の形態に係る電気化学セルは、第１の面及び前記第１の面の反対に位置する第２の面を有する電解質と、前記第１の面に接する酸素極と、前記第２の面に接する燃料極とを含む電極積層体と、前記第１の面と前記第２の面との間に位置する前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極とは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部と、を備える。
一実施の形態に係る集電体は、電気化学セルの電極積層体における電解質と酸素極と燃料極とが重なる方向で、前記酸素極又は前記燃料極に接するように配置される集電体であって、前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部を備える。
一実施の形態に係るセルスタックは、前記の複数の電気化学セルを重ねた、セルスタックである。
一実施の形態に係る集電体は、電気化学セルの電極積層体における電解質と酸素極と燃料極とが重なる方向で、前記酸素極又は前記燃料極に接するように配置される集電体であって、前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部を備える。
一実施の形態に係るセルスタックは、前記の複数の電気化学セルを重ねた、セルスタックである。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、酸素極、電解質、及び燃料極を含む電極積層体とその周囲の部材との接触に起因する電気化学セルにおける不所望な内部応力や変形を抑制しつつ、電極積層体とその周囲の部材との間においてガスが流通することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】第１の実施の形態に係る電気化学セルを備えるセルスタックの積層方向での断面図である。
【図5】第２の実施の形態に係る電気化学セルを概略的に示す図である。
【図6】第３の実施の形態に係る電気化学セルを概略的に示す図である。
【図7】（Ａ）～（Ｄ）は、実施の形態に係る電気化学セルの製造方法の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、添付の図面を参照しつつ、各実施の形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜のために、縮尺及び寸法比などが実物のそれらから変更され誇張して示されている場合がある。
【0019】
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る電気化学セル１を備えるセルスタックＳの積層方向での断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に対応するセルスタックＳの積層方向での断面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線から見た電気化学セル１の概略的な図である。電気化学セル１は平板型である。セルスタックＳにおいては、複数の電気化学セル１が、それぞれの厚さ方向を揃えるようにして互いに重ねられている。なお、図１乃至図３は、非動作時であって常温（２５℃）における電気化学セル１及びセルスタックＳを示している。
図１は、第１の実施の形態に係る電気化学セル１を備えるセルスタックＳの積層方向での断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に対応するセルスタックＳの積層方向での断面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線から見た電気化学セル１の概略的な図である。電気化学セル１は平板型である。セルスタックＳにおいては、複数の電気化学セル１が、それぞれの厚さ方向を揃えるようにして互いに重ねられている。なお、図１乃至図３は、非動作時であって常温（２５℃）における電気化学セル１及びセルスタックＳを示している。
【0020】
セルスタックＳにおいて複数の電気化学セル１が重ねられる方向を、以下、積層方向Ｚと呼ぶ。また、積層方向Ｚに直交する方向のうちの図１において左右に延びる方向を、Ｘ方向と呼ぶ。また、積層方向Ｚに直交する方向のうちの図２において左右に延びる方向を、Ｙ方向と呼ぶ。Ｘ方向とＹ方向とは、積層方向Ｚに直交する面において互いに直交する。
【0021】
なお、以下に説明する電気化学セル１又はセルスタックＳの構成要素において側面と呼ばれる面は、当該構成要素における外表面であってＸ方向及び／又はＹ方向を向く面のことを意味する。また、以下で言う平面視とは、積層方向Ｚに平行な方向に見ることを意味する。
【0022】
図１及び図２に示すように、電気化学セル１は、電極積層体１０と、セパレータ１２と、燃料極側集電体１４ａと、酸素極側集電体１４ｃと、封止板１６と、シール材１８と、を備えている。電極積層体１０は、単に「セル」と呼ばれる場合もある。
【0023】
電極積層体１０は、電解質１０ｅと、酸素極１０ｃと、燃料極１０ａと、燃料極多孔質基材１０ｇと、を含む。電解質１０ｅは、第１の面１０ｅ１と、第１の面１０ｅ１の反対に位置する第２の面１０ｅ２とを有する。
【0024】
酸素極１０ｃは、第１の面１０ｅ１に接している。燃料極１０ａは、第２の面１０ｅ２に接している。燃料極多孔質基材１０ｇは、燃料極１０ａにおける電解質１０ｅと接する面とは反対の面に接している。すなわち、電極積層体１０では、燃料極多孔質基材１０ｇ、燃料極１０ａ、電解質１０ｅ、及び酸素極１０ｃがこの順で積層されている。
【0025】
電気化学セル１は、詳しくは、平面視での形状が矩形になる平板型である。ただし、平板型の電気化学セル１の平面視での形状は特に限られず、例えば円形などでもよい。
【0026】
本実施の形態における電解質１０ｅは固体電解質であり、酸素イオン導電性を有する固体酸化物からなる。この場合、電解質１０ｅは、例えば緻密な安定化ジルコニア、セリア系固溶体の成形体、ペロブスカイト型酸化物などから形成される。電解質１０ｅは、Ｙ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｃａ、Ｍｇ、および、Ｃｅからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素の酸化物（Ｙ２Ｏ３，Ｓｃ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｇｄ２Ｏ３，ＣａＯ，ＭｇＯ，ＣｅＯ２）で安定化されたジルコニアを用いて形成されもよい。また、電解質１０ｅは、Ｓｍ、Ｇｄ、および、Ｙの群から選ばれる少なくとも一つの元素の酸化物（Ｓｍ２Ｏ３，Ｇｄ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３）がドープされたセリアを用いて形成されていてもよい。
【0027】
酸素極１０ｃは多孔質体であり、例えばペロブスカイト型酸化物などから形成される。詳しくは、酸素極１０ｃは、例えばＬａＳｒＭｎ酸化物、ＬａＳｒＣｏ酸化物、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＬａＳｒＦｅ酸化物などを用いて形成されてもよい。
【0028】
燃料極１０ａは多孔質体であり、例えば金属と固体酸化物の混合焼結体（サーメット）などから形成される。詳しくは、燃料極１０ａは、例えばＮｉ－ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ－ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などを用いて形成されてもよい。ここで、電解質１０ｅが上述したように「緻密」であるとは、電解質１０ｅが、少なくとも多孔質体である酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａよりも気孔率が低いことを意味する。
【0029】
燃料極多孔質基材１０ｇも多孔質体であり、シート状に形成される。本実施の形態では、燃料極多孔質基材１０ｇ、燃料極１０ａ、電解質１０ｅ、及び酸素極１０ｃがこの順で積層されて一体化されている。本実施の形態では、燃料極多孔質基材１０ｇが、電極積層体１０を補強するとともに、支持する支持材として機能している。
【0030】
電極積層体１０は、例えば燃料極多孔質基材１０ｇに、燃料極１０ａ、電解質１０ｅ、及び酸素極１０ｃを順次成膜することで形成され得る。このような工程で電極積層体１０が形成される場合には、燃料極多孔質基材１０ｇ、燃料極１０ａ、電解質１０ｅ、及び酸素極１０ｃは自然と一体化される。ただし、電極積層体１０の形成手法は特に限られるものではない。
【0031】
燃料極多孔質基材１０ｇは、例えば金属粒子と金属酸化物を含む焼結体などから形成されてもよい。焼結体に含まれ又は酸化物に固溶している金属粒子には、例えばニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、および、銅（Ｃｕ）からなる群から選ばれる１種以上、もしくはそれらを含む合金が挙げられる。
【0032】
なお、本実施の形態に係る電気化学セル１は固体酸化物形の電気化学セルであるため、上述で例示した材料により形成され得る。ただし、電気化学セル１の形式は、固体酸化物形に限られるものではない。例えば電気化学セル１が固体高分子形又は溶融炭酸塩形の電気化学セルとして構成される場合には、形式に対応した材料で電気化学セルの各部が形成されればよい。
【0033】
セパレータ１２は、電解質１０ｅと酸素極１０ｃと燃料極１０ａとが重なる方向、つまり積層方向Ｚで、電極積層体１０と重なるベース部１２１と、電極積層体１０の側面を囲む枠体１２２と、を備える。本実施の形態では、枠体１２２の内側にセル収容部１２ａが形成される。セル収容部１２ａ内に電極積層体１０が設置される。電極積層体１０は、矩形の各辺が枠体１２２のいずれかの辺に沿うように設置され、電極積層体１０の側面と枠体１２２との間には隙間が形成される。すなわち、電極積層体１０は、枠体１２２の内面に密着することなく、枠体１２２との間に隙間を空ける状態で枠体１２２に囲まれている。
【0034】
図３に示すように、ベース部１２１の形状は平面視で矩形である。枠体１２２の形状は平面視で矩形の枠状である。図１及び図２に示すように、ベース部１２１は、燃料極多孔質基材１０ｇを介して燃料極側集電体１４ａに接している。また、ベース部１２１は、燃料極多孔質基材１０ｇ側の面とは反対の面で、他の電気化学セル１の酸素極側集電体１４ｃと接する。
【0035】
電気化学セル１は、ガスの流通のための複数の流路を備えている。具体的には、図１乃至図３に示すように、電気化学セル１は、燃料供給共有流路１３１と、燃料排出共有流路１３２と、燃料供給分岐流路１３３と、燃料排出分岐流路１３４と、酸素供給共有流路１３５と、酸素排出共有流路１３６と、酸素供給分岐流路１３７と、酸素排出分岐流路１３８と、を備えている。
【0036】
図３に示すように、枠体１２２における互いに対向する２辺部（図３における上下の２辺部）のうちの一方には、燃料供給共有流路１３１に形成され、上記２辺部のうちの他方には、燃料排出共有流路１３２が形成されている。また、枠体１２２における互いに対向する他の２辺部（図３における左右の２辺部）のうちの一方には、酸素供給共有流路１３５が形成され、上記他の２辺部のうちの他方には、酸素排出共有流路１３６が形成されている。
【0037】
燃料供給共有流路１３１、燃料排出共有流路１３２、酸素供給共有流路１３５、及び酸素排出共有流路１３６はそれぞれ、積層方向に枠体１２２を貫通している。図１及び図２に示すように、燃料供給共有流路１３１、燃料排出共有流路１３２、酸素供給共有流路１３５、及び酸素排出共有流路１３６はそれぞれ、他の電気化学セル１の対応する燃料供給共有流路１３１、燃料排出共有流路１３２、酸素供給共有流路１３５、及び酸素排出共有流路１３６に流体的に接続される。
【0038】
一方で、図１及び図３に示すように、燃料供給分岐流路１３３は、枠体１２２において燃料供給共有流路１３１と隣接して形成されている。詳しくは、燃料供給分岐流路１３３は、枠体１２２における燃料供給共有流路１３１が形成される辺部に形成され、燃料供給共有流路１３１とセル収容部１２ａとを流体的に接続している。また、燃料排出分岐流路１３４は、枠体１２２において燃料排出共有流路１３２と隣接して形成されている。詳しくは、燃料排出分岐流路１３４は、枠体１２２における燃料排出共有流路１３２が形成される辺部に形成され、燃料排出共有流路１３２とセル収容部１２ａとを流体的に接続している。
【0039】
以上のように燃料供給共有流路１３１と、燃料排出共有流路１３２と、燃料供給分岐流路１３３と、燃料排出分岐流路１３４とが接続されることにより、燃料供給共有流路１３１を流通する燃料ガスが、燃料供給分岐流路１３３からセル収容部１２ａに流入し得る。これにより、燃料ガスが電極積層体１０における燃料極１０ａに供給され得る。そして、電極積層体１０を通過した燃料ガスは、セル収容部１２ａから燃料排出分岐流路１３４を通過して、燃料排出共有流路１３２に流出し得る。これにより、未反応の燃料ガスを燃料排出共有流路１３２から排出できる。
【0040】
燃料供給分岐流路１３３及び燃料排出分岐流路１３４は、本実施の形態では枠体１２２の頂面から凹み、積層方向と交差する方向に延びる溝として形成されている。ただし、燃料供給分岐流路１３３及び燃料排出分岐流路１３４は、枠体１２２を貫通する孔でもよい。なお、酸素供給分岐流路１３７及び酸素排出分岐流路１３８は、封止板１６に設けられる。これについての詳細は後述する。
【0041】
以上のようにセパレータ１２は、燃料極１０ａに供給される燃料ガスの流路及び酸素極１０ｃに供給される酸素の流路の少なくとも一部を形成している。セパレータ１２は、燃料ガス及び酸素を透過させない程度に緻密であって、導電性を有する材料から形成される。セパレータ１２は、例えば金属、セラミックスなどで形成される。セパレータ１２の材料の線膨張係数は、電極積層体１０の線膨張係数と近いことが望ましい。なお、セパレータ１２が上述したように「緻密」であるとは、セパレータ１２が、少なくとも多孔質体となる酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａよりも気孔率が低いことを意味する。
【0042】
また、本実施の形態では枠体１２２がセパレータ１２の一部であり、枠体１２２が、ベース部１２１の外周側の部分に一体化されて立ち上がる。ただし、枠体１２２とベース部１２１とは別々に形成され、事後的に互いに連結されてもよい。
【0043】
燃料極側集電体１４ａは、燃料極多孔質基材１０ｇとセパレータ１２のベース部１２１とに接する状態で配置される。酸素極側集電体１４ｃは、酸素極１０ｃと、他の電気化学セル１のセパレータ１２とに接する状態で配置される。燃料極側集電体１４ａは、燃料極多孔質基材１０ｇとセパレータ１２のベース部１２１とに接着剤を介して接着されてもよい。同様に、酸素極側集電体１４ｃも、酸素極１０ｃと他の電気化学セル１のセパレータ１２とに接着剤を介して接着されてもよい。
【0044】
燃料極側集電体１４ａ及び酸素極側集電体１４ｃは導電性を有するシート状の部材であり、導電性材料で形成される。燃料極側集電体１４ａ及び酸素極側集電体１４ｃは、例えばステンレス、鉄、ニッケル、チタン、アルミニウム、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、又はこれらのうちの一種以上を含む合金素材などから形成されてもよい。特に燃料極側集電体１４ａ及び酸素極側集電体１４ｃは、ガス拡散性を有する構造体から形成されてもよい。より具体的には、燃料極側集電体１４ａ及び酸素極側集電体１４ｃは、ガス拡散性を有し、比較的変形し易い、金属製のメッシュ、エキスパンドメタル、又は金属製の発泡体から形成されてもよい。これらメッシュ、エキスパンドメタル、金属製の発泡体の材質は、上述と同様に、例えばステンレス、鉄、ニッケル、チタン、アルミニウム、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、又はこれらのうちの一種以上を含む合金素材などもよい。なお、ガス拡散性とは、流入したガスを拡散させつつ透過させることが可能な性質である。
【0045】
図２に示すように、燃料極側集電体１４ａには燃料ガス流路２４ａが設けられている。図１に示すように、酸素極側集電体１４ｃには酸素流路２４ｃが設けられている。この例では、燃料ガス流路２４ａ及び酸素流路２４ｃが、積層方向Ｚで見た場合に互いに直交する方向に延びる。ただし、燃料ガス流路２４ａ及び酸素流路２４ｃのパターンは特に限られない。
【0046】
燃料極側集電体１４ａは、凹部と凸部とが繰り替えし形成される波板形状で形成されている。燃料ガス流路２４ａは、図２において上方に凸となる燃料極側集電体１４ａの隣り合う凸部の間に形成され、Ｘ方向に延びる。Ｘ方向における燃料ガス流路２４ａの一方の端部は、図１及び図２を参照し、セル収容部１２ａ及び燃料供給分岐流路１３３を介して燃料供給共有流路１３１に流体的に接続する。Ｘ方向における燃料ガス流路２４ａの他方の端部は、セル収容部１２ａ及び燃料排出分岐流路１３４を介して、燃料排出共有流路１３２に流体的に接続する。
【0047】
また、酸素極側集電体１４ｃも、凹部と凸部とが繰り替えし形成される波板形状で形成されている。そして、酸素流路２４ｃは、図１において下方にへこむ酸素極側集電体１４ｃの隣り合う凹部の間に形成され、Ｙ方向に延びる。Ｙ方向における酸素流路２４ｃの一方の端部は、図１及び図２を参照し、酸素供給分岐流路１３７を介して酸素供給共有流路１３５に流体的に接続する。Ｙ方向における酸素流路２４ｃの他方の端部は、酸素排出分岐流路１３８を介して、酸素排出共有流路１３６に流体的に接続する。
【0048】
なお、燃料極側集電体１４ａ及び酸素極側集電体１４ｃには、上述のような燃料ガス流路２４ａ及び酸素流路２４ｃが設けられなくてもよい。この場合、例えば、燃料極側集電体１４ａ及び酸素極側集電体１４ｃが多孔質体で形成されるとともに、セパレータ１２に燃料ガス流路２４ａ及び酸素流路２４ｃのような溝状の流路が形成されてもよい。
【0049】
また、本実施の形態では平面視における酸素極１０ｃのサイズが電解質１０ｅよりも小さく、電解質１０ｅの外周側の部分は酸素極１０ｃに覆われていない。ここで、封止板１６は、電解質１０ｅにおける酸素極１０ｃが位置しない面と、枠体１２２の頂面と、に跨がる状態で設置されている。封止板１６は矩形枠状の板体であり、酸素極１０ｃ及び酸素極側集電体１４ｃを囲んでいる。封止板１６の内側に酸素極１０ｃに供給される酸素が流入するが、封止板１６は、封止板１６の内側の空間と、セル収容部１２ａとのガス雰囲気を隔てている。
【0050】
封止板１６には、上述したように、酸素供給分岐流路１３７と酸素排出分岐流路１３８とが形成される。詳しくは、図２を参照し、酸素供給分岐流路１３７は、酸素供給共有流路１３５と封止板１６の内側の空間とを流体的に接続するように形成されている。酸素排出分岐流路１３８は、酸素排出共有流路１３６と封止板１６の内側の空間とを流体的に接続するように形成されている。封止板１６は緻密な材料であって、例えば金属、セラミックスなどで形成されてもよく、セパレータ１２と同じ材料から形成されてもよい。
【0051】
シール材１８は、封止板１６と他の電気化学セル１のセパレータ１２との間に設けられ、封止板１６と他の電気化学セル１のセパレータ１２との間を気密及び液密にシールする。シール材１８は、加圧することによって変形するコンプレッシブな材料から形成されてもよい。
【0052】
本実施の形態に係る電気化学セル１は、以上に説明した電極積層体１０、セパレータ１２、燃料極側集電体１４ａ、酸素極側集電体１４ｃ、封止板１６、及びシール材１８により、単位ユニット、所謂、単セルを構成する。そして、このような電気化学セル１が任意の数だけ積み上げられることにより、セルスタックＳが形成される。セルスタックＳにおいては、積層方向Ｚの両端部に、エンドプレート（図示省略）などが配置される。そして、一対のエンドプレートなどの部材が、締結手段、例えば複数のボルトやナット（図示省略）によって締め付けられて固定される。
【0053】
ここで、図１乃至図３を参照し、電気化学セル１は、ガス流れ抑制部２０を備えている。ガス流れ抑制部２０は、電極積層体１０の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置する。詳しくは、本実施の形態におけるガス流れ抑制部２０は、電極積層体１０のうちの燃料極側の面（図中の下面）から電解質１０ｅまでの部分の一部又は全部の側面に隣り合うように位置し、酸素極１０ｃとは隣り合っていない。
【0054】
上述したように電極積層体１０の側面と枠体１２２との間には隙間が形成される。ガス流れ抑制部２０は、電極積層体１０の側面と枠体１２２との間の隙間に位置し、これにより、電極積層体１０の側面と枠体１２２との間の隙間を流通しようとする燃料ガスの流れを阻止するように機能する。
【0055】
ガス流れ抑制部２０は、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａとは異なる材料から形成されている。詳しくは、ガス流れ抑制部２０は、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａの線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から形成されている。上述したように、本実施の形態では電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａが主としてセラミックスから形成されている。これに対して、ガス流れ抑制部２０は、例えばステンレス、鉄、ニッケル、チタン、アルミニウム、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、又はこれらのうちの一種以上を含む合金素材などから形成されてもよい。これにより、ガス流れ抑制部２０の線膨張係数は、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａの線膨張係数よりも大きくなり得る。
【0056】
詳しくは、本実施の形態では金属から形成される燃料極側集電体１４ａにガス流れ抑制部２０が一体に形成されている。すなわち、燃料極側集電体１４ａは、電極積層体１０の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部２０を備えていることになる。また、本実施の形態では、燃料極側集電体１４ａが電極積層体１０と一体化されているため、ガス流れ抑制部２０が電極積層体１０と一体化されていることになる。なお、ガス流れ抑制部２０は燃料極側集電体１４ａと一体でなくてもよく、例えば燃料極多孔質基材１０ｇと一体化されてもよい。本実施の形態ではガス流れ抑制部２０が燃料極側集電体１４ａと同様の材料から形成される。したがって、ガス流れ抑制部２０は、ガス拡散性を有する構造体から形成されてもよい。より具体的には、ガス流れ抑制部２０は、ガス拡散性を有し、比較的変形し易い、金属製のメッシュ、エキスパンドメタル、又は金属製の発泡体から形成されてもよい。
【0057】
図２及び図３に示すように、ガス流れ抑制部２０は、例えば常温（２５℃）での電気化学セル１の非動作時に、枠体１２２から離れて位置する。ここで、ガス流れ抑制部２０の線膨張係数が、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａの線膨張係数よりも大きい場合には、電気化学セル１の動作時に、ガス流れ抑制部２０が、枠体１２２との間の距離が狭くなるように枠体１２２に向けて膨張し易くなる。これにより、電極積層体１０と枠体１２２との間の隙間を流通する燃料ガスの流れを阻止し易くなる。また、上述のように燃料ガスの流れを阻止するガス流れ抑制部２０のような部材を、主としてセラミックスからなる電極積層体１０と同じ材料で加工精度良く適正に形成する場合には、非常に大きい手間がかかり得る。そのため、ガス流れ抑制部２０を、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａと異なる材料から形成することは、ガス流れ抑制部２０の加工の観点で有利になり得る。
【0058】
本実施の形態におけるガス流れ抑制部２０は、詳しくは、図４に示すように電極積層体１０から枠体１２２に向かって突き出す凸形状を有している。ガス流れ抑制部２０は、一例として厚さが一定の矩形の板状であり、板面が積層方向Ｚに沿うように形成されている。本実施の形態では、複数のガス流れ抑制部２０が電極積層体１０の側面を周回する方向に沿って間隔を空けて設けられる。詳しくは、電極積層体１０の側面のうちの燃料極側集電体１４ａの燃料ガス流路２４ａに平行な部分に沿って、複数のガス流れ抑制部２０が間隔を空けて設けられる。
【0059】
隣り合うガス流れ抑制部２０は、その間に燃料ガスが流入して急縮小から急拡大に切り替わって圧力損失が生じるようにある程度離れることが望ましい。また、隣り合うガス流れ抑制部２０の間に燃料ガスが流入した際に、渦が生じるようにガス流れ抑制部２０が構成されることが望ましい。
【0060】
また、本実施の形態は、電気化学セル１の動作時に、ガス流れ抑制部２０と枠体１２２との間の距離が狭くなるようにガス流れ抑制部２０を枠体１２２に向けて膨張させることを意図している。すなわち、ガス流れ抑制部２０は、所定の温度以上になった際、熱膨張により枠体１２２に接触又は近接するように構成される。
【0061】
具体的には、ガス流れ抑制部２０は、例えば常温（２５℃）での電気化学セル１の非動作時に、言い換えると組立時に、枠体１２２から離れるように電極積層体１０と枠体１２２との間の隙間に位置する。そして、上述したようにガス流れ抑制部２０の線膨張係数は電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａの線膨張係数よりも大きいが、さらに、枠体１２２の線膨張係数よりも大きく設定される。詳しくは、一例として、所定の温度時にガス流れ抑制部２０が膨張する寸法と、所定の温度時に枠体１２２が膨張する寸法との差が、常温におけるガス流れ抑制部２０と枠体１２２との距離以上なるように、ガス流れ抑制部２０の線膨張係数と、枠体１２２の線膨張係数とが設定されている。これにより、図４に示すように、ガス流れ抑制部２０は、所定の温度以上になった際に熱膨張により枠体１２２に接触し得る。
【0062】
図３を参照しつつ詳細に説明すると、図３における符号Ｌ１は、互いに対向する枠体１２２の内面間の距離を示す。符号Ｌ２は、燃料極側集電体１４ａの互いに対向する縁部に設けられたガス流れ抑制部２０の先端間の距離を示す。ここで、（（Ｌ１－Ｌ２）／２）により、常温におけるガス流れ抑制部２０と枠体１２２との間の距離が算出される。そして、枠体１２２の線膨張係数をｃ１、ガス流れ抑制部２０の線膨張係数をｃ２、所定の温度をＴｄ、常温をＴｓとしたとき、本実施の形態では、（（Ｌ１－Ｌ２）／２）－（ｃ１×Ｌ１－ｃ２×Ｌ２）×（Ｔｄ－Ｔｓ）≧０という関係が成り立つように、ガス流れ抑制部２０の線膨張係数と、枠体１２２の線膨張係数とが設定される。
【0063】
上述のようにガス流れ抑制部２０を熱膨張させて枠体１２２に接触させる場合、ガス流れ抑制部２０は、高温の運転状態で枠体１２２に接触しても、変形が許容されるか又は容易に座屈が起こり得るものであり、電極積層体１０の変形を拘束せず又は電極積層体１０に荷重を伝達しない構造であることが好ましい。この観点で、ガス流れ抑制部２０はガス拡散性を有する構造体であって、比較的変形し易い、金属製のメッシュ、エキスパンドメタル、又は金属製の発泡体から形成されることが好ましく、例えばニッケルの発泡体が特に良い。
【0064】
また、ガス流れ抑制部２０は、例えば常温（２５℃）での電気化学セル１の非動作時に、言い換えると組立時に、枠体１２２から離れるため、枠体１２２と電極積層体１０との組み立てを阻害しない。また、本実施の形態では、図１及び図２に示すように、ガス流れ抑制部２０の頂面（封止板１６と対面する面）も例えば常温（２５℃）での電気化学セル１の非動作時に封止板１６から離れるように位置する。ガス流れ抑制部２０の頂面も、適正な組立への影響を回避するために封止板１６から離れるように、言い換えると電解質１０ｅを超えないように形成されることが望ましい。一方で、このようにガス流れ抑制部２０の頂面が封止板１６から離れる場合も、高温時にガス流れ抑制部２０は熱膨張により封止板１６に近づき得る。そのため、燃料ガスの流れは好適に抑制され得る。
【0065】
次に、本実施の形態に係る電気化学セル１の作用を説明する。
【0066】
セルスタックＳをＳＯＥＣ（固体酸化物形電解セル）として動作させる場合には、外部から燃料供給共有流路１３１に燃料ガスを導入する。ＳＯＥＣとして動作させる場合の燃料ガスは、例えば、水蒸気や二酸化炭素を少なくとも含むガスなどが挙げられる。この燃料ガスは、燃料供給分岐流路１３３からセル収容部１２ａに流入する。そして、燃料ガスは、燃料極側集電体１４ａの燃料ガス流路２４ａを通り、ここで燃料極多孔質基材１０ｇで拡散されて、電極積層体１０における燃料極１０ａに供給される。これにより、燃料ガスは、電極積層体１０での電気分解反応の反応物として用いられる。電気分解反応の反応物として用いられなかった燃料ガスは、燃料供給分岐流路１３３と、燃料排出分岐流路１３４とを経て外部へ排出される。
【0067】
本実施の形態では、電極積層体１０と枠体１２２との間に隙間が形成されるため、この隙間を燃料ガスが通過しようとする。ここでガス流れ抑制部２０が設けられることにより、隙間における燃料ガスの流通が抑制される。特に本実施の形態では、電気化学セル１の動作時に、ガス流れ抑制部２０と枠体１２２との隙間が狭くなるようにガス流れ抑制部２０が枠体１２２に向けて熱膨張して枠体１２２に接触又は近接する。これにより、シール性能を向上できる。
【0068】
本実施の形態では電解質１０ｅが固体酸化物であることで、電極積層体１０と枠体１２２とを密着させることが困難であり、そのため、電極積層体１０と枠体１２２との間に隙間が形成される。ここで、本実施の形態では電極積層体１０とは異なる材料で作製されたガス流れ抑制部２０が設けられることにより、容易に望ましいシール機能を付与できる。詳しくは、電極積層体１０とは異なる材料、例えば加工性に優れる金属によりガス流れ抑制部２０を作製することで、枠体１２２と接触しないサイズや大きさの又は枠体１２２に接触したとしても、電極積層体１０に不所望な変形や内部応力を生じさせない態様のガス流れ抑制部２０が容易に作製され得る。そのため、効果的にシール性能を付与することが可能となる。
【0069】
なお、セルスタックＳをＳＯＥＣ（固体酸化物形電解セル）として動作させる場合においても、上述と同様に、ガス流れ抑制部２０によって効果的にシール性能を付与できる。
【0070】
以上に説明したように本実施の形態に係る電気化学セル１は、第１の面１０ｅ１及び第１の面１０ｅ１の反対に位置する第２の面１０ｅ２を有する電解質１０ｅと、第１の面１０ｅ１に接する酸素極１０ｃと、第２の面１０ｅ２に接する燃料極１０ａとを含む電極積層体１０と、電極積層体１０の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、電解質１０ｅ、酸素極１０ｃ及び燃料極１０ａとは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部２０と、を備える。
【0071】
以上の構成により、電気化学セル１は、電極積層体１０が枠体１２２との間に隙間が形成されるように枠体１２２に囲まれた場合であっても、ガス流れ抑制部２０によって、隙間を流通しようとする燃料ガスを抑制できる。そして、ガス流れ抑制部２０は、電極積層体１０とは異なる材料、例えば加工性に優れる金属により作製される。これにより、枠体１２２と接触しないサイズや大きさの又は枠体１２２に接触したとしても電極積層体１０に不所望な変形や内部応力を生じさせない態様のガス流れ抑制部２０が容易に作製され得る。したがって、本実施の形態に係る電気化学セル１によれば、電極積層体１０とその周囲の部材である枠体１２２との接触に起因する電気化学セル１における不所望な内部応力や変形を抑制しつつ、電極積層体１０とその周囲の部材である枠体１２２との間においてガスが流通することを抑制することができる。
【0072】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係る電気化学セル２について図５を参照しつつ説明する。第２の実施の形態の構成部分のうちの第１の実施の形態と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、第２の実施の形態に係る電気化学セル２について図５を参照しつつ説明する。第２の実施の形態の構成部分のうちの第１の実施の形態と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0073】
図５に示すように、本実施の形態における枠体１２２は、電極積層体１０に向かって突出する複数の凸部３０を備える。凸部３０は、電極積層体１０の側面のうちのガス流れ抑制部２０が隣接する部分に向かって突出する。ただし、凸部３０は、その先端が電極積層体１０の側面から離れるように形成される。本実施の形態では、凸部３０が一例として厚さが一定の矩形の板状であり、板面が積層方向Ｚに沿うように形成されている。
【0074】
また本実施の形態では、ガス流れ抑制部２０と凸部３０とが互い違いに並ぶように設けられている。凸部３０は、ガス流れ抑制部２０の先端と枠体１２２との間を通過する燃料ガスを阻止するように位置する。すなわち、凸部３０は吹き抜けを防止する機能を有する。そして、ガス流れ抑制部２０と凸部３０とが互い違いに並ぶことにより、ガス流れ抑制部２０の先端と枠体１２２との間を通過する燃料ガスは、その後、隣り合うガス流れ抑制部２０と凸部３０との間の空間で急縮小と急拡大とを繰り替えして、圧力損失を発生さ得る。これにより、ガス流れ抑制部２０と枠体１２２との間の隙間における燃料ガスの流通が効果的に抑制される。ここで、隣り合うガス流れ抑制部２０と凸部３０との間の空間は、燃料ガスが流入した際に渦が発生し得るように構成されることが好ましい。
【0075】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、常温時に枠体１２２から離れて位置するガス流れ抑制部２０が、所定の温度以上になった際、熱膨張により枠体１２２に接触又は近接するように構成されている。この際、本実施の形態では温度上昇時に仮にガス流れ抑制部２０が枠体１２２に接しなかった場合でも、凸部３０によって燃料ガスの流れが阻止される。これにより、シール性能を向上できる。
【0076】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態に係る電気化学セル３について図６を参照しつつ説明する。第３の実施の形態の構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
次に、第３の実施の形態に係る電気化学セル３について図６を参照しつつ説明する。第３の実施の形態の構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態と同一のものには、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0077】
図６に示すように、本実施の形態における電気化学セル１では、ガス流れ抑制部２０が広い範囲にわたり電極積層体１０の側面を覆う。すなわち、ガス流れ抑制部２０は、電極積層体１０の側面を周回する方向に延びる壁形状で形成されている。詳しくは、ガス流れ抑制部２０は、電極積層体１０の側面のうちの燃料供給共有流路１３１から燃料排出共有流路１３２に向かう方向に延びる部分を、部分的に又は全体的に覆うように形成されている。
【0078】
本実施の形態では、電気化学セル３の非動作時、例えば常温（２５℃）においては、ガス流れ抑制部２０は、枠体１２２から離れるように位置し、且つ、電気化学セル３の動作時においても、ガス流れ抑制部２０と枠体１２２とが離れた状態が維持される。なお、第１の実施の形態のように、本実施の形態におけるガス流れ抑制部２０も、所定の温度以上になった際、熱膨張により枠体１２２に接触又は近接するように構成されてもよい。
【0079】
本実施の形態においても、電極積層体１０と枠体１２２との間に隙間における燃料ガスの流通を抑制できる。
【0080】
＜電気化学セルの製造方法＞
以下、製造方法の一例について図７を参照しつつ説明する。図７には、第１の実施の形態に係る電気化学セル１の製造手順が示されるが、第２及び第３の実施の形態に係る電気化学セルも同様の手順で製造され得る。
以下、製造方法の一例について図７を参照しつつ説明する。図７には、第１の実施の形態に係る電気化学セル１の製造手順が示されるが、第２及び第３の実施の形態に係る電気化学セルも同様の手順で製造され得る。
【0081】
ここで説明する例では、電極積層体１０、特にガス流れ抑制部２０と、枠体１２２との間に所望の隙間が形成されるように組立治具４０が用いられる。組立治具４０は、電極積層体１０と枠体１２２との間の所望の隙間よりもわずかに小さい寸法を有するように形成された例えば直方体のブロックなどでもよい。
【0082】
図７（Ａ）に示すように、まず、セパレータ１２が準備された後、図７（Ｂ）に示すように、セパレータ１２におけるベース部１２１上に、組立治具４０が設置される。この際、組立治具４０は、互いに対向する枠体１２２の２つの辺部のそれぞれに近接するように少なくとも２つ配置される。上記枠体１２２の２つの辺部は、組立後に、それぞれガス流れ抑制部２０と対向する辺部である。
【0083】
つづいて、燃料極側集電体１４ａを、組立治具４０に接触しないようにベース部１２１上に載せる。この状態で、燃料極側集電体１４ａがベース部１２１に接着剤などで接着される。これにより、燃料極側集電体１４ａが所望の位置で固定され、燃料極側集電体１４ａと一体のガス流れ抑制部２０と枠体１２２との間の距離が所望の状態になる。
【0084】
その後、電極積層体１０を、組立治具４０及びガス流れ抑制部２０に接触しないように燃料極側集電体１４ａ上に載せる。この状態で、電極積層体１０が燃料極側集電体１４ａに接着剤などで接着される。これにより、電極積層体１０が所望の位置で固定され、電極積層体１０と枠体１２２との間の隙間が所望の寸法になる。これにより、ガス流れ抑制部２０を適正に機能させることができる。その後、組立治具４０は、抜き出されるようにして取り外される。
【0085】
以上、各実施の形態を説明したが、上記実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施の形態及びその他の変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0086】
例えば、上述の第１及び第２の実施の形態におけるガス流れ抑制部２０は厚さが一定の板状であるが、ガス流れ抑制部２０は枠体１２２に向かって先細りとなる形状などもよい。また、ガス流れ抑制部２０はブロック状でもよい。
【0087】
また、上述の第１～第３の実施の形態では、ガス流れ抑制部２０が燃料ガスの流通を抑制するように構成されているが、ガス流れ抑制部２０は酸素の流通を抑制するように適用されてもよい。この場合、ガス流れ抑制部２０は、酸素極１０ｃと封止板１６との間に配置される。この場合、ガス流れ抑制部２０は、酸素極側集電体１４ｃと一体化されてもよい。
【符号の説明】
【0088】
１, ２，３…電気化学セル、１０…電極積層体、１０e…電解質、１０e１…第１の面、１０e２…第２の面、１０ｃ…酸素極、１０ａ…燃料極、１０ｇ…燃料極多孔質基材、１２…セパレータ、１２ａ…セル収容部、１２１…ベース部、１２２…枠体、１３１…燃料供給共有流路、１３２…燃料排出共有流路、１３３…燃料供給分岐流路、１３４…燃料排出分岐流路、１３５…酸素供給共有流路、１３６…酸素排出共有流路、１３７…酸素供給分岐流路、１３８…酸素排出分岐流路、１４ａ…燃料極側集電体、１４ｃ…酸素極側集電体、１６…封止板、１８…シール材、２０…ガス流れ抑制部、３０…凸部、４０…組立治具、Ｓ…セルスタック
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-15
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の面及び前記第１の面の反対に位置する第２の面を有する電解質と、前記第１の面に接する酸素極と、前記第２の面に接する燃料極とを含む電極積層体と、
前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極とは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部と、を備える、電気化学セル。
前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置し、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極とは異なる材料から形成されるガス流れ抑制部と、を備える、電気化学セル。
【請求項2】
前記ガス流れ制御部は、前記電極積層体と一体化されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項3】
前記ガス流れ制御部は、前記電解質、前記酸素極及び前記燃料極の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有する材料から形成される、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項4】
前記ガス流れ抑制部は、ガス拡散性を有する金属からなる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項5】
前記電気化学セルは、複数の前記ガス流れ抑制部を備え、
複数の前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面を周回する方向に沿って間隔を空けて設けられる、請求項１に記載の電気化学セル。
複数の前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面を周回する方向に沿って間隔を空けて設けられる、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項6】
前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面を周回する方向に延びる壁形状で形成されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項7】
前記電解質と前記酸素極と前記燃料極とが重なる方向で、前記酸素極又は前記燃料極に接するシート状の部材を備え、
前記シート状の部材と前記ガス流れ抑制部とが、一体化されている、請求項１に記載の電気化学セル。
前記シート状の部材と前記ガス流れ抑制部とが、一体化されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項8】
前記シート状の部材及び前記ガス流れ抑制部は、ガス拡散性を有する金属からなる、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項9】
前記シート状の部材は導電性を有し、集電体として機能する、請求項７又は８に記載の電気化学セル。
【請求項10】
前記電解質と前記酸素極と前記燃料極とが重なる方向で、前記電極積層体と重なるベース部を含むセパレータと、
前記電極積層体の側面を囲む枠体と、を備え、
前記電極積層体の側面と前記枠体との間には隙間が形成され、
前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うとともに前記枠体から離れるように前記隙間に位置する、請求項１に記載の電気化学セル。
前記電極積層体の側面を囲む枠体と、を備え、
前記電極積層体の側面と前記枠体との間には隙間が形成され、
前記ガス流れ抑制部は、前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うとともに前記枠体から離れるように前記隙間に位置する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項11】
前記ガス流れ抑制部は、所定の温度以上になった際、熱膨張により前記枠体に接触又は近接する、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項12】
前記ガス流れ制御部の線膨張係数は、前記枠体の線膨張係数よりも大きい、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項13】
前記枠体は、前記電極積層体に向かって突出する複数の凸部を備え、
前記ガス流れ抑制部と、前記凸部とは、互い違いに並ぶように設けられる、請求項１０に記載の電気化学セル。
前記ガス流れ抑制部と、前記凸部とは、互い違いに並ぶように設けられる、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項14】
前記枠体は、前記セパレータの一部であり、前記ベース部の外周側の部分に一体化されている、請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項15】
前記電解質は、固体電解質である、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項16】
電気化学セルの電極積層体における電解質と酸素極と燃料極とが重なる方向で、前記酸素極又は前記燃料極に接するように配置される集電体であって、
前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部を備える、集電体。
前記電極積層体の側面と少なくとも部分的に隣り合うように位置するガス流れ抑制部を備える、集電体。
【請求項17】
請求項１に記載の複数の電気化学セルを重ねた、セルスタック。