特開 2024-1503 電解セル

(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】P2024001503

(43)【公開日】2024-01-10

(54)【発明の名称】電解セル

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/23 20210101AFI20231227BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20231227BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20231227BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20231227BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20231227BHJP

   C25B 11/031 20210101ALI20231227BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20231227BHJP

【ＦＩ】

C25B1/23

C25B9/23

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B9/00 Z

C25B15/08 302

C25B11/031

C25B13/02 302

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022100189

(22)【出願日】2022-06-22

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】毛里 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】柳澤 和貴

(72)【発明者】

【氏名】牧 美里

(72)【発明者】

【氏名】米田 英昭

(72)【発明者】

【氏名】吉田 潤平

【テーマコード（参考）】

4K011

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K011AA11

4K011AA15

4K011AA24

4K011AA48

4K011BA06

4K011BA08

4K011DA01

4K011DA11

4K021AA01

4K021AA09

4K021BA02

4K021BC01

4K021CA09

4K021DB11

4K021DB18

4K021DB19

4K021DB36

4K021DB43

4K021DB49

4K021DB53

4K021DC03

4K021DC15

4K021EA05

(57)【要約】      （修正有）

【課題】燃料極の上流部から燃料極の下流部にまで電解反応場をバランスよく分散させることができ、電解効率の低減を抑制することができる電解セルを提供する。
【解決手段】電解セルは、膜電極接合体と、一対のセパレータ２２と、ガス供給流路２４と、ガス排出流路と、を備える。膜電極接合体の燃料極３０は、原料ガスの電解反応を触媒する触媒物質を含み、燃料極３０に含まれる触媒物質の量は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって増加する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料極、酸素極、および、前記燃料極と前記酸素極との間に配置された電解質膜を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記燃料極の極面に沿って前記燃料極と前記一対のセパレータの一方との間に形成され、前記燃料極に供給される原料ガスが流通するガス供給流路と、
前記酸素極の極面に沿って前記酸素極と前記一対のセパレータの他方との間に形成され、前記酸素極で生成される酸素ガスが流通するガス排出流路と、
を備え、
前記燃料極は、前記原料ガスの電解反応を触媒する触媒物質を含み、
前記燃料極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって増加する、電解セル。

【請求項2】

請求項１の電解セルであって、
前記ガス供給流路における前記原料ガスの流通方向と、前記ガス排出流路における前記酸素ガスの流通方向とは相反する、電解セル。

【請求項3】

請求項１の電解セルであって、
前記燃料極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって漸次的に増加する、電解セル。

【請求項4】

請求項１の電解セルであって、
前記燃料極は、第一電極部と、前記第一電極部よりも前記触媒物質の量が多い第二電極部を有し、
前記第一電極部は、前記第二電極部よりも前記ガス供給流路の上流に配置される、電解セル。

【請求項5】

請求項１の電解セルであって、
前記燃料極は、複数の細孔を有し、
前記細孔の細孔径は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって大きくなる、電解セル。

【請求項6】

請求項１の電解セルであって、
前記燃料極は、複数の細孔を有し、
単位体積あたりに占める前記細孔の密度は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって多くなる、電解セル。

【請求項7】

請求項１の電解セルであって、
前記酸素極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス排出流路の上流から下流にわたって一定である、電解セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解セルに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より気候変動の緩和または影響軽減を目的とした取り組みが継続され、この実現に向けて電解セルに関する研究開発が行われている。電解セルは、二酸化炭素ガス等の原料ガスを電解する。

【0003】

下記特許文献１には、アノードと、カソードと、隔膜とを具備した電解セルが開示されている。隔膜は、アノードとカソードとの間に配置される。カソードは、隔膜に向けて配置されたカソード触媒層と、ＣＯ₂ガス流路に向けて配置されたガス拡散層とを有する。カソードでは、ＣＯ₂ガス流路に導入されるＣＯ₂ガスが電解される。

【0004】

下記特許文献１では、カソードにおける残存ガスの分布の偏り等によって引き起こされる電解セルのセル出力の低下を抑制するために、電解セルの電解性能の判定が行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－１４７６８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、一般に、カソードにおける残存ガスは、ＣＯ₂ガス流路の入口から出口に向かって減少する傾向がある。つまり、電解反応場は、ＣＯ₂ガス流路の上流に対応するカソード部分に集中する。そのため、電解効率が低減するという問題が生じ得る。

【0007】

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様は、電解セルであって、燃料極、酸素極、および、前記燃料極と前記酸素極との間に配置された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、前記燃料極の極面に沿って前記燃料極と前記一対のセパレータの一方との間に形成され、前記燃料極に供給される原料ガスが流通するガス供給流路と、前記酸素極の極面に沿って前記酸素極と前記一対のセパレータの他方との間に形成され、前記酸素極で生成される酸素ガスが流通するガス排出流路と、を備え、前記燃料極は、前記原料ガスの電解反応を触媒する触媒物質を含み、前記燃料極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって増加する。

【発明の効果】

【0009】

上記の態様によれば、燃料極の上流部から燃料極の下流部にまで、電解反応場をバランスよく分散させることができる。その結果、電解効率の低減を抑制することができる。延いては気候変動の緩和または影響軽減に寄与する。なお、燃料極の上流部は、ガス供給流路の上流部に対応する部分である。また、燃料極の下流部は、ガス供給流路の下流部に対応する部分である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態における電解装置の構成を示す概略図である。

【図2】図２は、電解セルを示す断面図である。

【図3】図３は、第１セパレータを示す図である。

【図4】図４は、第２セパレータを示す図である。

【図5】図５は、燃料極に含まれる触媒量を示す概念図である。

【図6】図６Ａは、比較例における特定ガスの分圧の変化を示すグラフであり、図６Ｂは、比較例における濃度過電圧および電流密度の変化を示すグラフである。

【図7】図７Ａは、実施形態における特定ガスの分圧の変化を示すグラフであり、図７Ｂは、実施形態における濃度過電圧および電流密度の変化を示すグラフである。

【図8】図８は、変形例１における燃料極に含まれる触媒量を示す概念図である。

【図9】図９Ａは、変形例１における特定ガスの分圧の変化を示すグラフであり、図９Ｂは、変形例１における濃度過電圧および電流密度の変化を示すグラフである。

【図10】図１０は、変形例２における燃料極に含まれる触媒量と、細孔径および細孔密度とを示す概念図である。

【図11】図１１は、変形例３における燃料極に含まれる触媒量と、細孔径および細孔密度とを示す概念図である。

【図12】図１２は、変形例４における第１セパレータを示す図である。

【図13】図１３は、変形例４における第２セパレータを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態〕
図１は、実施形態における電解装置１０の構成を示す概略図である。電解装置１０は、原料ガス入口部１２と、合成ガス出口部１４と、酸素ガス出口部１６と、複数の電解セル１８とを有する。

【0012】

原料ガス入口部１２は、原料ガスを電解装置１０に取り入れる部分である。原料ガスは、水蒸気および二酸化炭素ガスを含む。合成ガス出口部１４は、電解装置１０から合成ガスを取り出す部分である。合成ガスは、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む。酸素ガス出口部１６は、電解装置１０から酸素ガスを取り出す部分である。原料ガス入口部１２、合成ガス出口部１４および酸素ガス出口部１６は、電解装置１０の筐体に設けられる。

【0013】

複数の電解セル１８は、積層される。各電解セル１８は、原料ガスを電解可能に構成される。各電解セル１８の構成は実質的に同じである。各電解セル１８は、水蒸気および二酸化炭素ガスを共電解し、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを生成する。また、各電解セル１８は、水蒸気および二酸化炭素ガスの共電解により酸素ガスを副次的に生成する。

【0014】

電解装置１０は、原料ガス入口部１２から流入する原料ガスを複数の電解セル１８の各々に分配する。電解装置１０は、各電解セル１８から流出する合成ガスを集め、当該合成ガスを合成ガス出口部１４から外部に排出する。また、電解装置１０は、各電解セル１８から流出する酸素ガスを集め、当該酸素ガスを酸素ガス出口部１６から外部に排出する。

【0015】

図２は、電解セル１８を示す断面図である。電解セル１８は、膜電極接合体２０と、一対のセパレータ２２と、複数のガス供給流路２４と、複数のガス排出流路２６とを有する。

【0016】

膜電極接合体２０は、ＭＥＡと称される場合がある。膜電極接合体２０は、電解質膜２８と、燃料極３０と、酸素極３２とを含む。

【0017】

電解質膜２８は、固体酸化物形電解質膜である。電解質膜２８として、スカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ₂Ｏ₃ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＺｒＯ₂：ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＺｒＯ₂：ＹＳＺ）等が用いられる。電解質膜２８の一方の主面は燃料極３０で覆われ、電解質膜２８の他方の主面は酸素極３２で覆われる。

【0018】

燃料極３０は、電子（ｅ^-）を受け取る負極である。燃料極３０は、カソード電極と称される場合もある。燃料極３０と酸素極３２との間に電圧が印加された状態で原料ガスが燃料極３０に供給されると、燃料極３０では、電解反応が開始される。この場合、燃料極３０では、原料ガスに含まれる水蒸気が電子（ｅ^-）を受け取って還元され、水素ガスおよび酸素イオンが生成される。同時に、原料ガスに含まれる二酸化炭素ガスが電子（ｅ^-）を受け取って還元され、一酸化炭素ガスおよび酸素イオンが生成される。燃料極３０は、集電機能を有する導電体のガス拡散層を含んでいてもよい。

【0019】

燃料極３０は、多孔質体であり、複数の細孔を有する。また、燃料極３０は、電解反応（還元反応）の触媒物質を有する。燃料極３０として、イットリア安定化ジルコニアと触媒物質とを混合した混合物、ガドリニアドープセリア（Ｇｄ₂Ｏ₃ Ｄｏｐｅｄ ＣｅＯ₂：ＧＤＣ）と触媒物質とを混合した混合物等が用いられる。触媒物質は、電解反応を触媒する物質である。触媒物質としては、ニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。

【0020】

電解質膜２８の材料と燃料極３０の材料との相互拡散を抑制するための反応防止層が、電解質膜２８と燃料極３０との間に配置されてもよい。この場合、電解質膜２８と燃料極３０との界面に、高抵抗の固溶体が形成されることが抑制される。

【0021】

酸素極３２は、電子（ｅ^-）を放出する正極である。酸素極３２は、アノード電極と称される場合もある。燃料極３０で電解反応が開始されると、酸素極３２では、燃料極３０での電解反応により得られる酸素イオンに基づいて酸素ガスが生成される。酸素極３２は、集電機能を有する導電体のガス拡散層を含んでいてもよい。

【0022】

酸素極３２は、多孔質体であり、複数の細孔を有する。また、酸素極３２は、電解反応（酸化反応）の触媒物質を有する。酸素極３２として、ランタンストロンチウムマンガナイト（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃:ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（（Ｌａ，Ｓｒ）Ｃｏ₃Ｏ₄:ＬＳＣ）等が用いられる。ＬＳＭ、ＬＳＣは、触媒能を有する。

【0023】

電解質膜２８の材料と酸素極３２の材料との相互拡散を抑制するための反応防止層が、電解質膜２８と酸素極３２との間に配置されてもよい。この場合、電解質膜２８と酸素極３２との界面に、高抵抗の固溶体が形成されることが抑制される。

【0024】

一対のセパレータ２２は、膜電極接合体２０を挟持する。各セパレータ２２は、金属により形成される。一対のセパレータ２２の一方は燃料極３０に向き、一対のセパレータ２２の他方は酸素極３２に向く。本実施形態では、燃料極３０に向くセパレータ２２は、第１セパレータ２２＿１と称する場合がある。また、酸素極３２に向くセパレータ２２は、第２セパレータ２２＿２と称する場合がある。

【0025】

第１セパレータ２２＿１は、燃料極３０に向く第１面と、第１面と反対の第２面とを有する。第１セパレータ２２＿１の第１面は、各ガス供給流路２４と接する。第１セパレータ２２＿１の第２面は、積層される他の電解セル１８の各ガス排出流路２６と接する。

【0026】

第２セパレータ２２＿２は、酸素極３２に向く第１面と、第１面と反対の第２面とを有する。第２セパレータ２２＿２の第１面は、各ガス排出流路２６と接する。第２セパレータ２２＿２の第２面は、積層される他の電解セル１８の各ガス供給流路２４と接する。

【0027】

図３は、第１セパレータ２２＿１を示す図である。具体的には、第１セパレータ２２＿１の第１面を正面視した図（図２のＩＩＩ－ＩＩＩの矢視図）が示されている。第１セパレータ２２＿１は、燃料極入口孔３４と、燃料極出口孔３６と、酸素極入口孔３８と、酸素極出口孔４０とを有する。

【0028】

燃料極入口孔３４は、原料ガス入口部１２と連通する。燃料極出口孔３６は、合成ガス出口部１４と連通する。酸素極入口孔３８は、臨時用入口部４２と連通する。酸素極出口孔４０は、酸素ガス出口部１６と連通する。臨時用入口部４２は、例えば、電解装置１０の筐体に設けられる。臨時用入口部４２には開閉弁４４が設けられる。開閉弁４４は、各電解セル１８による電解が行われている場合は、閉弁される。つまり、各電解セル１８による電解が行われている場合に、酸素極入口孔３８からガスが流入することはない。

【0029】

第１セパレータ２２＿１では、燃料極入口孔３４は、各ガス供給流路２４の一端部（上流端部）と連通する。燃料極出口孔３６は、各ガス供給流路２４の他端部（下流端部）と連通する。一方、酸素極入口孔３８は、第１セパレータ２２＿１の隔壁部４６によって隔離される。同様に、酸素極出口孔４０は、第１セパレータ２２＿１の隔壁部４８によって隔離される。つまり、酸素極入口孔３８および酸素極出口孔４０は、燃料極入口孔３４、燃料極出口孔３６およびガス供給流路２４のいずれとも非連通である。

【0030】

第１セパレータ２２＿１の燃料極入口孔３４から流入する原料ガスは、各ガス供給流路２４の一端部に流れる。各ガス供給流路２４の一端部に流入した原料ガスは、対応するガス供給流路２４の他端部に向かって流れる。原料ガスから燃料極３０（図２）で生成される合成ガスは、複数のガス供給流路２４の少なくとも１つを介して、ガス供給流路２４の他端部に流れる。ガス供給流路２４の他端部から流出する原料ガスおよび合成ガスは、合成ガス出口部１４から流出する。

【0031】

図４は、第２セパレータ２２＿２を示す図である。具体的には、第２セパレータ２２＿２の第１面を正面視した図（図２のＩＶ－ＩＶの矢視図）が示されている。第２セパレータ２２＿２は、第１セパレータ２２＿１と同様に、燃料極入口孔３４と、燃料極出口孔３６と、酸素極入口孔３８と、酸素極出口孔４０とを有する。

【0032】

第２セパレータ２２＿２では、酸素極入口孔３８は、各ガス排出流路２６の一端部（上流端部）と連通する。酸素極出口孔４０は、各ガス排出流路２６の他端部（下流端部）と連通する。一方、燃料極入口孔３４は、第２セパレータ２２＿２の隔壁部５０によって隔離される。同様に、燃料極出口孔３６は、第２セパレータ２２＿２の隔壁部５２によって隔離される。つまり、燃料極入口孔３４および燃料極出口孔３６は、酸素極入口孔３８、酸素極出口孔４０およびガス排出流路２６のいずれとも非連通である。

【0033】

酸素極３２（図２）で生成される酸素ガスは、複数のガス排出流路２６の少なくとも１つを介して、ガス排出流路２６の他端部に流れる。ガス排出流路２６の他端部から流出する酸素ガスは、酸素ガス出口部１６から流出する。なお、上記のように、電解セル１８による電解が行われている場合、酸素極入口孔３８と連通する臨時用入口部４２に設けられる開閉弁４４は閉弁している。したがって、酸素極３２（図２）で生成される酸素ガスが逆流して臨時用入口部４２から排出されることはない。

【0034】

複数のガス供給流路２４の各々は、燃料極３０に供給される原料ガスが流通する流路である。また、複数のガス供給流路２４の各々は、燃料極３０で生成される水素ガスおよび一酸化炭素ガスを含む合成ガスが流通する流路でもある。各ガス供給流路２４は、第１セパレータ２２＿１と燃料極３０との間に形成される（図２参照）。各ガス供給流路２４は、燃料極３０の極面に沿って形成される（図２参照）。ガス供給流路２４は、互いに間隔をあけて配置され、並んで延在する（図２、図３参照）。各ガス供給流路２４は、真っ直ぐ延在していてもよいし、蛇行していてもよい。図３は、各ガス供給流路２４が真っ直ぐ延在する場合の例を示している。

【0035】

本実施形態では、ガス供給流路２４は、燃料極３０に向く第１セパレータ２２＿１の面に設けられた溝等によって形成される。ただし、ガス供給流路２４は、第１セパレータ２２＿１に向く燃料極３０の面に設けられた溝等によって形成されてもよい。

【0036】

複数のガス排出流路２６の各々は、酸素極３２で生成される酸素ガスが流通する流路である。各ガス排出流路２６は、第２セパレータ２２＿２と酸素極３２との間に形成される（図２参照）。各ガス排出流路２６は、酸素極３２の極面に沿って形成される（図２参照）。ガス排出流路２６は、互いに間隔をあけて配置され、並んで延在する（図２、図４参照）。各ガス排出流路２６は、真っ直ぐ延在していてもよいし、蛇行していてもよい。図４は、各ガス排出流路２６が真っ直ぐ延在する場合の例を示している。

【0037】

本実施形態では、ガス排出流路２６は、酸素極３２に向く第２セパレータ２２＿２の面に設けられた溝等によって形成される。ただし、ガス排出流路２６は、第２セパレータ２２＿２に向く酸素極３２の面に設けられた溝等によって形成されてもよい。

【0038】

ガス供給流路２４における原料ガスの流通方向Ｄ１（図３）と、ガス排出流路２６における酸素ガスの流通方向Ｄ２（図４）とは相反する。つまり、原料ガスの流通方向Ｄ１（図３）は、酸素ガスの流通方向Ｄ２（図４）の逆方向と一致する。同様に、酸素ガスの流通方向Ｄ２（図４）は、原料ガスの流通方向Ｄ１（図３）の逆方向と一致する。換言すると、ガス供給流路２４の上流部は、ガス排出流路２６の下流部から電解セル１８の厚み方向（電解セル１８の積層方向）に配置される（図２参照）。また、ガス供給流路２４の下流部は、ガス排出流路２６の上流部から電解セル１８の厚み方向（電解セル１８の積層方向）に配置される（図２参照）。

【0039】

図５は、燃料極３０に含まれる触媒量を示す概念図である。本実施形態では、燃料極３０に含まれる触媒量は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって漸次的に増加する。なお、触媒量とは、触媒物質の量を意味する。

【0040】

図６Ａは、比較例における特定ガスの分圧の変化を示すグラフである。図６Ｂは、比較例における濃度過電圧および電流密度の変化を示すグラフである。比較例では、燃料極３０に含まれる触媒量は、ガス供給流路２４の上流から下流にわたって実質的に一定である。

【0041】

比較例の場合、水蒸気および二酸化炭素ガスの分圧は、ガス供給流路２４の入口から急激に下降する（図６Ａ参照）。また、電解により得られる水素ガスおよび一酸化炭素ガスの分圧は、ガス供給流路２４の入口から急激に上昇する（図６Ａ参照）。

【0042】

つまり、比較例の場合、電解反応場は、燃料極３０の上流部に集中する。換言すると、燃料極３０の端部に偏る。したがって、電極面内における電流密度は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって急激に下降する（図６Ｂ参照）。また、濃度過電圧は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって急激に上昇する（図６Ｂ参照）。その結果、電解効率が低減する。

【0043】

これに加えて、比較例の場合、電解反応場が集中する燃料極３０の上流部には炭素が析出し易くなる。炭素が析出すると、触媒活性が低下する。その結果、電解効率の低減のみならず、電解セル１８の劣化が促進される。

【0044】

図７Ａは、本実施形態における特定ガスの分圧の変化を示すグラフである。図７Ｂは、本実施形態における濃度過電圧および電流密度の変化を示すグラフである。上記のように、本実施形態では、燃料極３０に含まれる触媒量は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって漸次的に増加する（図５、図７Ａ参照）。

【0045】

本実施形態の場合、水蒸気および二酸化炭素ガスの分圧は、ガス供給流路２４の入口から出口に向かって緩やかに下降する（図７Ａ参照）。また、電解により得られる水素ガスおよび一酸化炭素ガスの分圧は、ガス供給流路２４の入口から出口に向かって緩やかに上昇する（図７Ａ参照）。

【0046】

つまり、本実施形態の場合、燃料極３０の上流部から燃料極３０の下流部にまで、電解反応場はバランスよく分散される。換言すると、燃料極３０の全体で電解反応場が確保される。その結果、電解効率の低減を抑制することができる。これに加えて、炭素が析出し難くなるため、電解セル１８の劣化の促進を抑制することができる。

【0047】

水蒸気および二酸化炭素ガスの共電解反応は吸熱反応であり、燃料極３０の上流部は電解セル１８の温度が低下する。共電解反応では、作動温度が低いほど燃料極３０に炭素が析出し易い。本実施形態の場合、ガス供給流路２４における原料ガスの流通方向Ｄ１（図３）と、ガス排出流路２６における酸素ガスの流通方向Ｄ２（図４）とは相反する。したがって、燃料極３０の上流部の高温化を図ることができる。その結果、燃料極３０の上流部に炭素が析出することを抑制することができる。また、酸素極３２で生じる熱を、ガス供給流路２４の上流に輸送し、吸熱反応である共電解反応（水蒸気および二酸化炭素ガスの還元反応）に利用することができる。なお、酸素極３２で生じる熱は、水蒸気および二酸化炭素ガスの還元反応により得られる酸素イオンの移動抵抗に伴う過電圧になる。

【0048】

〔変形例〕
上記実施形態は、以下のように変形してもよい。

【0049】

（変形例１）
図８は、変形例１における燃料極３０に含まれる触媒量を示す概念図である。図８では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。

【0050】

本変形例では、燃料極３０は、複数の電極部３０＿ｎに区分される。区分される電極部の数ｎは、２以上の整数である。図８は、区分される電極部の数ｎは、「３」である場合の例を示している。すなわち、図８では、燃料極３０は、第一電極部３０＿１、第二電極部３０＿２および第三電極部３０＿３に区分される。

【0051】

第一電極部３０＿１は、第二電極部３０＿２および第三電極部３０＿３よりもガス供給流路２４の上流に配置される。第一電極部３０＿１に含まれる触媒量は、第二電極部３０＿２に含まれる触媒量および第三電極部３０＿３に含まれる触媒量よりも少ない。

【0052】

第二電極部３０＿２は、第一電極部３０＿１よりもガス供給流路２４の下流に配置されるとともに、第三電極部３０＿３よりもガス供給流路２４の上流に配置される。第二電極部３０＿２に含まれる触媒量は、第一電極部３０＿１に含まれる触媒量よりも多く、第三電極部３０＿３に含まれる触媒量よりも少ない。

【0053】

第三電極部３０＿３は、第一電極部３０＿１および第二電極部３０＿２よりもガス供給流路２４の下流に配置される。第三電極部３０＿３に含まれる触媒量は、第一電極部３０＿１に含まれる触媒量および第二電極部３０＿２に含まれる触媒量よりも多い。

【0054】

本変形例では、第一電極部３０＿１、第二電極部３０＿２および第三電極部３０＿３の電極面積は互いに同じであるが異なっていてもよい。第一電極部３０＿１、第二電極部３０＿２および第三電極部３０＿３の厚さは実質的に同じである。

【0055】

図９Ａは、変形例１における特定ガスの分圧の変化を示すグラフである。図９Ｂは、変形例１における濃度過電圧および電流密度の変化を示すグラフである。本変形例では、燃料極３０に含まれる触媒量は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって、３段階に区分される（図８、図９Ａ参照）。

【0056】

本変形例の場合、水蒸気および二酸化炭素ガスの分圧は、ガス供給流路２４の入口から出口に向かって緩やかに下降する（図９Ａ参照）。また、電解により得られる水素ガスおよび一酸化炭素ガスの分圧は、ガス供給流路２４の入口から出口に向かって緩やかに上昇する（図９Ａ参照）。

【0057】

つまり、本変形例の場合、実施形態と同様に、燃料極３０の上流部から燃料極３０の下流部にまで、電解反応場はバランスよく分散される。その結果、電解効率の低減を抑制することができる。これに加えて、炭素が析出し難くなるため、電解セル１８の劣化の促進を抑制することができる。

【0058】

以上、本変形例では、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって段階的に触媒量が多くなるように燃料極３０が複数の電極部３０＿ｎに区分される。このようにしても実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0059】

（変形例２）
図１０は、変形例２における燃料極３０に含まれる触媒量と、細孔径および細孔密度とを示す概念図である。図１０では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。

【0060】

本変形例では、燃料極３０に含まれる触媒量は、実施形態と同様に、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって漸次的に増加する。また、燃料極３０の細孔径および細孔密度は、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって漸次的に増加する。

【0061】

細孔径は、例えば、単位体積あたりに占める細孔の直径の平均と定義され得る。細孔密度は、単位体積あたりに占める細孔の密度である。細孔径および細孔密度は、調整可能である。例えば、燃料極３０の原材料に孔形成材を混合して燃料極３０の先駆物質を得た後、当該孔形成材を溶融し、さらに蒸発させることで、燃料極３０を得る。この場合に、孔形成材の直径に基づいて細孔径が調整され得る。また、孔形成材の量に基づいて細孔密度が調整され得る。

【0062】

細孔径によってガスの拡散様式が異なることが知られている。具体的には、細孔径と気体分子の平均自由行程との比によって、分子拡散とＫｎｕｄｓｅｎ拡散とのどちらの拡散が支配的になるかが決まる。分子拡散は、気体分子同士の衝突による拡散である。Ｋｎｕｄｓｅｎ拡散は、気体分子と細孔壁面との衝突による拡散であり、気体の分子量が大きいほど小さくなる。本実施形態の場合、原料ガス中のガスの分子量に基づいて、Ｋｎｕｄｓｅｎ拡散が支配的とならないように、燃料極３０の細孔径が設定されることが好ましい。

【0063】

本変形例の場合、燃料極３０に含まれる触媒量のみならず、燃料極３０の細孔径および細孔密度が、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって漸次的に増加する。したがって、燃料極３０における電解反応場をより一段とバランスよく分散させることができる。

【0064】

なお、燃料極３０の細孔径または細孔密度は、ガス供給流路２４の上流から下流にわたって実質的に均一であってもよい。均一とは、最大値に対する最小値の割合が所定の閾値以下である場合である。所定の閾値は、例えば１０％等に設定される。

【0065】

（変形例３）
図１１は、変形例３における燃料極３０に含まれる触媒量と、細孔径および細孔密度とを示す概念図である。図１１では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。

【0066】

本変形例では、燃料極３０は、変形例１と同様に、複数の電極部３０＿ｎに区分される。図１１は、区分される電極部の数ｎは、「３」である場合の例を示している。すなわち、図１１では、燃料極３０は、第一電極部３０＿１、第二電極部３０＿２および第三電極部３０＿３に区分される。

【0067】

第一電極部３０＿１は、第二電極部３０＿２および第三電極部３０＿３よりもガス供給流路２４の上流に配置される。第一電極部３０＿１に含まれる触媒量は、第二電極部３０＿２に含まれる触媒量および第三電極部３０＿３に含まれる触媒量よりも少ない。さらに、第一電極部３０＿１の細孔径は、第二電極部３０＿２の細孔径および第三電極部３０＿３の細孔径よりも小さい。これに加えて、第一電極部３０＿１の細孔密度は、第二電極部３０＿２の細孔密度および第三電極部３０＿３の細孔密度よりも小さい。

【0068】

第二電極部３０＿２は、第一電極部３０＿１よりもガス供給流路２４の下流に配置されるとともに、第三電極部３０＿３よりもガス供給流路２４の上流に配置される。第二電極部３０＿２に含まれる触媒量は、第一電極部３０＿１に含まれる触媒量よりも多く、第三電極部３０＿３に含まれる触媒量よりも少ない。さらに、第二電極部３０＿２の細孔径は、第一電極部３０＿１の細孔径よりも大きく、第三電極部３０＿３の細孔径よりも小さい。これに加えて、第二電極部３０＿２の細孔密度は、第一電極部３０＿１の細孔密度よりも大きく、第三電極部３０＿３の細孔密度よりも小さい。

【0069】

第三電極部３０＿３は、第一電極部３０＿１および第二電極部３０＿２よりもガス供給流路２４の下流に配置される。第三電極部３０＿３に含まれる触媒量は、第一電極部３０＿１に含まれる触媒量および第二電極部３０＿２に含まれる触媒量よりも多い。さらに、第三電極部３０＿３の細孔径は、第一電極部３０＿１の細孔径および第二電極部３０＿２の細孔径よりも大きい。これに加えて、第三電極部３０＿３の細孔密度は、第一電極部３０＿１の細孔密度および第二電極部３０＿２の細孔密度よりも大きい。

【0070】

以上、本変形例では、燃料極３０は、触媒量のみならず細孔径および細孔密度が段階的に大きくなるように、ガス供給流路２４の上流から下流に向かって複数の電極部３０＿ｎに区分される。したがって、燃料極３０における電解反応場をより一段とバランスよく分散させることができる。

【0071】

（変形例４）
図１２は、変形例４における第１セパレータ２２＿１を示す図である。具体的には、第１セパレータ２２＿１の第１面を正面視した図（図２のＩＩＩ－ＩＩＩの矢視図）が示されている。図１２では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。

【0072】

本変形例の第１セパレータ２２＿１は、複数の燃料極入口孔３４を有する。また、本変形例の第１セパレータ２２＿１は、複数の酸素極入口孔３８を有する。図１２では、燃料極入口孔３４の数が２つであり、酸素極入口孔３８の数が２つである場合の例が示されている。

【0073】

２つの燃料極入口孔３４－１、３４－２は、当該燃料極入口孔３４－１、３４－２の間に酸素極出口孔４０が位置するように、互いに離間している。各燃料極入口孔３４－１、３４－２は、ガス供給流路２４の一端部（上流端部）と連通する。各燃料極入口孔３４－１、３４－２の開口面積の合計は、燃料極出口孔３６の開口面積よりも大きい。

【0074】

２つの酸素極入口孔３８－１、３８－２は、当該酸素極入口孔３８－１、３８－２の間に燃料極出口孔３６が位置するように、互いに離間している。各酸素極入口孔３８－１、３８－２は、第１セパレータ２２＿１の隔壁部４６によって隔離される。

【0075】

本変形例では、各ガス供給流路２４の一端部には、２つの燃料極入口孔３４－１、３４－２の双方から原料ガスが供給される。したがって、燃料極入口孔３４が１つである場合に比べて、原料ガスの供給圧が小さくても、各ガス供給流路２４に原料ガスを均一に分配し易くなる。その結果、ガス供給流路２４に分配される原料ガス量の相違によって、燃料極３０での電解反応の反応分布に偏りが生じることを抑制することができる。

【0076】

図１３は、変形例４における第２セパレータ２２＿２を示す図である。具体的には、第２セパレータ２２＿２の第１面を正面視した図（図３のＩＶ－ＩＶの矢視図）が示されている。図１３では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。

【0077】

本変形例の第２セパレータ２２＿２は、第１セパレータ２２＿１と同様に、複数の燃料極入口孔３４を有する。また、本変形例の第２セパレータ２２＿２は、第１セパレータ２２＿１と同様に、複数の酸素極入口孔３８を有する。図１３では、燃料極入口孔３４の数が２つであり、酸素極入口孔３８の数が２つである場合の例が示されている。

【0078】

第２セパレータ２２＿２の各燃料極入口孔３４－１、３４－２は、第２セパレータ２２＿２の隔壁部５０によって隔離される。また、各酸素極入口孔３８－１、３８－２は、各ガス排出流路２６の一端部（上流端部）と連通する。

【0079】

本変形例では、各ガス排出流路２６の一端部に、２つの酸素極入口孔３８－１、３８－２の双方から清掃用ガス等のガスが供給され得る。したがって、酸素極入口孔３８が１つである場合に比べて、清掃用ガス等のガスの供給圧が小さくても、各ガス排出流路２６に原料ガスを均一に分配し易くなる。

【0080】

なお、電解セル１８による電解が行われている場合、臨時用入口部４２に設けられる開閉弁４４は閉弁される。したがって、実施形態と同様に、酸素極３２（図２）で生成される酸素ガスが逆流して臨時用入口部４２から排出されることはない。

【0081】

（変形例５）
実施形態および変形例１～変形例４は、本発明の目的を逸脱しない範囲で任意に組み合わせてもよい。

【0082】

（１）本発明は、電解セル（１８）であって、燃料極（３０）、酸素極（３２）、および、前記燃料極と前記酸素極との間に配置された電解質膜（２８）を含む膜電極接合体（２０）と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータ（２２）と、前記燃料極の極面に沿って前記燃料極と前記一対のセパレータの一方との間に形成され、前記燃料極に供給される原料ガスが流通するガス供給流路（２４）と、前記酸素極の極面に沿って前記酸素極と前記一対のセパレータの他方との間に形成され、前記酸素極で生成される酸素ガスが流通するガス排出流路（２６）と、を備え、前記燃料極は、前記原料ガスの電解反応を触媒する触媒物質を含み、前記燃料極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって増加する。

【0083】

これにより、燃料極の上流部から燃料極の下流部にまで、電解反応場をバランスよく分散させることができる。その結果、電解効率の低減を抑制することができる。また、電解反応場の集中による炭素の析出を抑制することができ、その結果、電解セルの劣化の促進を抑制することができる。

【0084】

（２）本発明は、電解セルであって、前記ガス供給流路における前記原料ガスの流通方向（Ｄ１）と、前記ガス排出流路における前記酸素ガスの流通方向（Ｄ２）とは相反してもよい。これにより、電解による吸熱反応（二酸化炭素ガスの還元反応）により温度が下がり易い燃料極の上流部の高温化を図ることができる。その結果、燃料極の上流部に炭素が析出することを抑制することができる。また、酸素極で生じる熱を、ガス供給流路の上流に輸送し、吸熱反応である電解反応（二酸化炭素ガスの還元反応）に利用することができる。

【0085】

（３）本発明は、電解セルであって、前記燃料極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって漸次的に増加してもよい。これにより、電解反応場をバランスよく分散させることができる。

【0086】

（４）本発明は、電解セルであって、前記燃料極は、第一電極部（３０＿１）と、前記第一電極部よりも前記触媒物質の量が多い第二電極部（３０＿２）を有し、前記第一電極部は、前記第二電極部よりも前記ガス供給流路の上流に配置されてもよい。これにより、電解反応場をバランスよく分散させることができる。

【0087】

（５）本発明は、電解セルであって、前記燃料極は、複数の細孔を有し、前記細孔の細孔径は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって大きくなってもよい。これにより、電解反応場をより一段とバランスよく分散させることができる。

【0088】

（６）本発明は、電解セルであって、前記燃料極は、複数の細孔を有し、単位体積あたりに占める前記細孔の密度は、前記ガス供給流路の上流から下流に向かって多くなってもよい。これにより、電解反応場をより一段とバランスよく分散させることができる。

【0089】

（７）本発明は、電解セルであって、前記酸素極に含まれる前記触媒物質の量は、前記ガス排出流路の上流から下流にわたって一定であってもよい。これにより、酸素極に含まれる触媒量の調整を不要にすることができる。

【0090】

本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0091】

１８…電解セル ２０…膜電極接合体
２２…セパレータ ２２＿１…第１セパレータ
２２＿２…第２セパレータ ２４…ガス供給流路
２６…ガス排出流路 ２８…電解質膜
３０…燃料極 ３０＿１…第一電極部
３０＿２…第二電極部 ３０＿３…第三電極部
３２…酸素極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】