特許7562889電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-27
(45)【発行日】2024-10-07
(54)【発明の名称】電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法
(51)【国際特許分類】
C25B 9/00 20210101AFI20240930BHJP
C25B 9/70 20210101ALI20240930BHJP
C25B 9/01 20210101ALI20240930BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240930BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20240930BHJP
【ＦＩ】
C25B9/00 A
C25B9/70
C25B9/01
C25B1/042
C25B9/23
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2024010231
(22)【出願日】2024-01-26
【審査請求日】2024-01-26
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】樋渡 研一
(72)【発明者】
【氏名】吉田 慎
(72)【発明者】
【氏名】武信 弘一
(72)【発明者】
【氏名】末森 重徳
【審査官】萩原 周治
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１７５３０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－０９６７８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０２－１１５５６６（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２５Ｂ １／００－１５／０８
Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｎｉを含む水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に挟まれた固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セルと、前記基体管の軸方向に並べられた複数の前記電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、
を備え、１つの前記電解単セルにおいて前記基体管の軸方向を向く、前記酸素極の端から端までの距離を前記電解単セルの幅と定義し、前記複数の電解単セルが並べられている前記基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部、中央部および第２端部に区分けした場合に、
前記第１端部および／または前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅が、前記中央部に位置する前記電解単セルの幅よりも１．５～３倍大きい電解セルスタック。
【請求項2】
前記第１端部に位置する前記電解単セルの幅は、前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅と等しい請求項１に記載の電解セルスタック。
【請求項3】
前記第１端部が前記基体管内のガス流れ方向上流側の端部であり、前記第２端部が前記基体管内のガス流れ方向下流側の端部であり、
前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅は、前記第１端部に位置する前記電解単セルの幅よりも大きい請求項１に記載の電解セルスタック。
【請求項4】
前記第１端部の軸方向の長さは、前記中央部、前記第１端部および前記第２端部の前記軸方向の長さの合計に対し、５％以上２０％以下である請求項１に記載の電解セルスタック。
【請求項5】
前記第２端部の軸方向の長さは、前記中央部、前記第１端部および前記第２端部の前記軸方向の長さの合計に対し、５％以上２０％以下である請求項１に記載の電解セルスタック。
【請求項6】
前記第１端部が前記基体管内のガス流れ方向上流側の端部であり、前記第２端部が前記基体管内のガス流れ方向下流側の端部であり、
前記第２端部の軸方向長さは、前記第１端部の軸方向長さよりも大きい請求項１に記載の電解セルスタック。
【請求項7】
請求項１～６のいずれかに記載の電解セルスタックを備えた電解セルカートリッジ。
【請求項8】
請求項７に記載の電解セルカートリッジを備えた電解セルモジュール。
【請求項9】
Ｎｉを含む水素極、酸素極、および水素極と酸素極との間に配置される固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セルと、前記基体管の軸方向に並べられた複数の前記電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備えた電解セルスタックの製造方法であって、１つの前記電解単セルにおいて前記基体管の軸方向を向く、前記酸素極の端から端までの距離を前記電解単セルの幅と定義し、複数の前記電解単セルが並べられている前記基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部、中央部および第２端部に区分けし、
前記第１端部および／または前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅を、前記中央部に位置する前記電解単セルの幅よりも１．５～３倍大きく形成する電解セルスタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法、に関するものである。
【背景技術】
【0002】
水を電気化学的に分解して水素および酸素を製造する電解セルは、二酸化炭素の排出を伴わない水素製造法であり、優れた環境特性を有している。このうち、固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどのセラミックスが用いられ、高温の水蒸気を原料とするため他の電解セルに比べ高い効率で水素の製造が可能である。また、脱炭素化を目的として二酸化炭素（ＣＯ２）を原料とし電解水素を還元剤として利用し、直接一酸化炭素（ＣＯ）を製造する共電解も可能である。
【0003】
特許文献１では、水素極、固体電解質膜および酸素極を有する電解セルが基体管上に複数並べられたセルスタックを備えた水素生成システムが開示されている。この水素生成システムにおいて、特許文献１に記載のＳＯＥＣでは、水素極がＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第７２８２９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ＳＯＥＣに流す電流を増やすと、水の電気化学的な分解（電解）が促進され、生成される水素量を増やすことができる。しかしながら、ＳＯＥＣに流す電流を単純に上げることはできない。
【0006】
水の電解は、吸熱反応である。一方、ＳＯＥＣに電流を流すと、ジュール熱が発生する。低電流であれば、吸熱反応が優位になるため問題ない。しかしながら、高電流で運転しようとすると、ＳＯＥＣ自身のジュール熱による発熱で温度上昇が生じる。ＳＯＥＣが高温に曝されると、水素極のＮｉがシンタリングし、ＳＯＥＣの内部抵抗が上がり、長時間の安定した電解が難しくなる。
【0007】
複数の電解セルを備えたセルスタックを高電流で運転した場合、高電流による発熱に応じた放熱ができないため、原料ガス（水蒸気等）流れの出口側で温度が高くなる。通常、セルスタックの両端は高温耐久性のある金属材料で構成された保持部材で保持されている。しかしながら、この保持部材が高温に曝されることで耐久性が低下する。そのため、ＳＯＥＣに流す電流密度は、この保持部材が許容温度を超えないような範囲に制限される。
【0008】
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セルスタックの温度上昇を抑えつつ、電解による生成物量を増やすことのできる電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本開示の電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法は以下の手段を採用する。
【0010】
本開示は、Ｎｉを含む水素極、酸素極、および前記水素極と前記酸素極との間に挟まれた固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セルと、前記基体管の軸方向に並べられた複数の前記電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備え、１つの前記電解単セルにおいて前記基体管の軸方向を向く、前記酸素極の端から端までの距離を前記電解単セルの幅と定義し、前記複数の電解単セルが並べられている前記基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部、中央部および第２端部に区分けした場合に、前記第１端部および／または前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅が、前記中央部に位置する前記電解単セルの幅よりも１．５～３倍大きい電解セルスタックを提供する。
【0011】
本開示は、上記に記載の電解セルスタックを備えた電解セルカートリッジを提供する。
【0012】
本開示は、上記に記載の電解セルカートリッジを備えた電解セルモジュールを提供する。
【0013】
本開示は、Ｎｉを含む水素極、酸素極、および水素極と酸素極との間に配置される固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セルと、前記基体管の軸方向に並べられた複数の前記電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備えた電解セルスタックの製造方法であって、１つの前記電解単セルにおいて前記基体管の軸方向を向く、前記酸素極の端から端までの距離を前記電解単セルの幅と定義し、前記複数の電解単セルが並べられている前記基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部、中央部および第２端部に区分けし、前記第１端部および／または前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅を、前記中央部に位置する前記電解単セルの幅よりも１．５～３倍大きく形成する電解セルスタックの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【0014】
本開示によれば、基体管上に並べた複数の電解単セルのうち、端の方（第１端部および／または第２端部）に、中央部よりも幅の大きな電解セルを配置することで、電解セルスタックの温度上昇を抑えつつ、電解による生成物量を増やすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本開示の一実施形態に係る電解セルスタックの一態様を示す図である。
【図2】セルスタックの第１端部の拡大断面模式図である。
【図3】本開示の一実施形態に係る電解セルモジュールの一態様を示す図である。
【図4】本開示の一実施形態に係る電解セルカートリッジの断面の一態様を示す図である。
【図5】（Ａ）実施例２のセルスタックの模式図と、（Ｂ）（Ａ）に記載のセルスタックの軸方向の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図6】実施例３～５および比較例３，４における電解単セルの幅条件およびシミュレーション結果を示す図である。
【図7】実施例５～１１における電解単セルの幅条件およびシミュレーション結果を示す図である。
【図8】実施例５，１１～１６におけるセル部長さの構成条件およびシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下に、本開示に係る電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0017】
本開示において「電解」は、「水電解」または「共電解」を意味する。
【0018】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」および「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
【0019】
〔第１実施形態〕
（セルスタック）
まず、図１，２を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば水素極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。
（セルスタック）
まず、図１，２を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば水素極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。
【0020】
ここで、図１は、実施形態に係るセルスタック（電解セルスタック）の一態様を示すものである。図２は、セルスタックの第１端部の拡大断面模式図である。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成され、基体管１０３の軸方向に複数並べられた電解単セル１０５と、隣り合う電解単セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。
【0021】
電解単セル１０５は、水素極１０９と固体電解質膜１１１と酸素極１１３とが積層されてなる。固体電解質膜１１１は、水素極１０９と酸素極１１３との間に挟まれている。電解単セル１０５は、基体管の周方向に形成されている。基体管の外径は、１０～５０ｍｍ。基体管の全長は、５００～３０００ｍｍ。
【0022】
セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の電解単セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された電解単セル１０５の酸素極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された電解単セル１０５の水素極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
【0023】
本実施形態では、複数の電解単セル１０５が並べられている基体管１０３上の領域をセル部１０４と呼ぶ。セル部１０４には、例えば５０～３５０個の電解単セル１０５が配置され得る。セル部１０４は、第１端部１０、中央部１１および第２端部１２の３つの領域に区分けされる。第１端部１０、中央部１１および第２端部１２は、基体管１０３の軸方向に沿って順に並んでいる。図１では、第１端部１０が原料ガス流れの上流側、第２端部１２が原料ガス流れの下流側に位置する。
【0024】
第１端部１０、中央部１１、第２端部１２の領域には、それぞれ複数の電解単セル１０５が含まれる。中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅は、例えば３～２０ｍｍであってよい。隣り合う電解単セル１０５間の距離は、例えば、０．３～２ｍｍであってよい。
【0025】
第１端部１０および第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｂ，１０５ｃの幅は、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅よりも１．５～３倍大きい。「電解単セルの幅」（Ｗ）は、基体管１０３の軸方向を向く、１つの電解単セル１０５における酸素極１１３の端から端までの距離（幅）に対応する。
【0026】
第１端部１０に位置する電解単セル１０５ｂの幅（Ｗ１）は、第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｃの幅（Ｗ３）と等しくてもよい。第１端部１０に位置する複数の電解単セル１０５ｂのそれぞれの幅（Ｗ１）は、同じであってもよいし、中央部１１側に向けて段階的に狭くなるようにしてもよい。
【0027】
第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｃの幅は、第１端部１０に位置する電解単セル１０５ｂの幅よりも大きくしてもよい。第２端部１２に位置する複数の電解単セル１０５ｃのそれぞれの幅（Ｗ３）は、同じであってもよいし、中央部１１側に向けて段階的に狭くなるようにしてもよい。
【0028】
セル部１０４は、基体管１０３の軸方向に沿って延びる長さＬを有する。セル部の長さＬは、基体管１０３の全長の５０～９０％程度にするとよい。セル部の長さＬは、例えば、３００～２５００ｍｍであってよい。
【0029】
セル部の長さＬは、第１端部長さ（Ｌ１）、中央部長さ（Ｌ２）および第２端部長さ（Ｌ３）の３つに区分けされる。
【0030】
長さＬは基体管上で長手方向に並べられた電解単セルのうち、両端に配置された電解単セル１０５の間の距離であり、具体的には、図１で示されるように原料ガス流れで最も上流側に配置された電解単セル１０５の酸素極１１３の外端（図１で上方側）から原料ガス流れで最も下流側に配置された電解単セル１０５の酸素極１１３の外端（図１で下方側）までの距離である。
【0031】
長さＬ１は、部内（区内）における最も端（例えば、図１では原料ガス流れの最も上流側）に位置する電解単セル１０５の酸素極１１３の外端（図１で上方側）から、部内の逆端（例えば、図１では原料ガス流れの最も下流側）に位置する電解単セル１０５の酸素極１１３の外端（図１で下方側）までの距離である。
【0032】
長さＬ３は、部内（区内）における最も端（例えば図１では原料ガス流れの最も下流側）に位置する電解単セル１０５の酸素極１１３の外端（図１で下方側）から、部内の逆端（例えば、図１では原料ガス流れの上流側）に位置する電解単セル１０５の酸素極１１３の外端（図１で上方側）までの距離である。
【0033】
長さＬ２は、セル部の長さＬからＬ１とＬ３を除いた残りの部分である。
【0034】
第１端部長さＬ１は、セル部長さＬに対して５％以上２０％以下であってよい。
中央部長さＬ２は、セル部長さＬに対して６０％以上９０％以下であってよい。
第２端部長さＬ２は、セル部長さＬに対して５％以上２０％以下であってよい。第２端部長さＬ２は、第１端部長さＬ１よりも大きくしてもよい。
中央部長さＬ２は、セル部長さＬに対して６０％以上９０％以下であってよい。
第２端部長さＬ２は、セル部長さＬに対して５％以上２０％以下であってよい。第２端部長さＬ２は、第１端部長さＬ１よりも大きくしてもよい。
【0035】
次に、電解単セル１０５の各構成について説明する。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、電解単セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される原料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される水素極１０９に拡散させるものである。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、電解単セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される原料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される水素極１０９に拡散させるものである。
【0036】
水素極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。水素極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、水素極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
【0037】
セルスタック１０１の水素極１０９に供給し利用できる原料ガスとしては、水蒸気、水蒸気および二酸化炭素、水素、窒素および水素などが挙げられる。
【0038】
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。水素極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
【0039】
酸素極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。酸素極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。
【0040】
酸素極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の酸素極層（酸素極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。固体電解質膜１１１側の酸素極層（酸素極中間層）はＳｍをドープしたセリア、酸素極中間層上の酸素極層（酸素極導電層）はＳｒおよびＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。酸素極１１３は２層構成とした場合、電解単セルの幅は、酸素極導電層を基準とする。
【0041】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、水素極１０９に供給される原料ガスと、酸素極１１３に供給される酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う電解単セル１０５において、一方の電解単セル１０５の酸素極１１３と他方の電解単セル１０５の水素極１０９とを電気的に接続し、隣り合う電解単セル１０５同士を直列に接続するものである。
【0042】
酸化性ガスとは、酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が挙げられる。
【0043】
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、およびセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の電解単セル１０５に直流電力を供給するものである。
【0044】
リード膜１１５を介して、水素極１０９と酸素極１１３との間に外部から電力を供給すると、水素極１０９に供給された高温の原料ガス（例えば水蒸気）の一部が電子を受けて水素と酸素イオンに分離され水素を生成する。分離された酸素イオンは固体電解質膜１１１の内部を通って酸素極１１３へ移動し、電子を放出して酸素となる。
【0045】
次に、セルスタックの製造方法について説明する。
基体管１０３は、例えば、押出成形法により形成される。
基体管１０３上に水素極用スラリーを塗布する。塗布される位置（第１端部１０、中央部１１または第２端部１２）に応じて、水素極用スラリーの塗布幅は、適宜変える。第１端部１０および／または第２端部１２での塗布幅は、中央部１１での塗布幅よりも大きくする。水素極用スラリーの塗布幅は、セルスタックになった後の第１端部１０および／または第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｂ、１０５ｃの幅（Ｗ１，Ｗ３）が、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅（Ｗ２）の１．５～３倍となるように調整するとよい。
基体管１０３は、例えば、押出成形法により形成される。
基体管１０３上に水素極用スラリーを塗布する。塗布される位置（第１端部１０、中央部１１または第２端部１２）に応じて、水素極用スラリーの塗布幅は、適宜変える。第１端部１０および／または第２端部１２での塗布幅は、中央部１１での塗布幅よりも大きくする。水素極用スラリーの塗布幅は、セルスタックになった後の第１端部１０および／または第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｂ、１０５ｃの幅（Ｗ１，Ｗ３）が、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅（Ｗ２）の１．５～３倍となるように調整するとよい。
【0046】
水素極用スラリーを塗布後、固体電解質膜用スラリーおよびインターコネクタ用スラリーを順に塗布する。塗布幅は、水素極用スラリーの塗布幅に合わせて調整する。
【0047】
水素極１０９、固体電解質膜１１１およびインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、例えば１３５０℃～１４５０℃とされる。
【0048】
つぎに、共焼結された基体管１０３上に、酸素極用スラリーを塗布する。塗布幅は、水素極用スラリーの塗布幅に合わせて調整する。
【0049】
酸素極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、例えば１１００℃～１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３～インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
【0050】
これにより、第１端部１０および／または第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｂ、１０５ｃの幅が、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅（Ｗ２）の１．５～３倍の大きさのセルスタック１０１が得られる。
【0051】
（ＳＯＥＣモジュール）
次に、図３と図４とを参照して本実施形態に係る電解セルカートリッジおよび電解セルモジュールについて説明する。ここで、図３は、本実施形態に係る固体酸化物形電解（ＳＯＥＣ）モジュールの一態様を示すものである。また、図４は、本実施形態に係る固体酸化物形電解（ＳＯＥＣ）カートリッジの一態様の断面図を示すものである。
次に、図３と図４とを参照して本実施形態に係る電解セルカートリッジおよび電解セルモジュールについて説明する。ここで、図３は、本実施形態に係る固体酸化物形電解（ＳＯＥＣ）モジュールの一態様を示すものである。また、図４は、本実施形態に係る固体酸化物形電解（ＳＯＥＣ）カートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【0052】
電解セルモジュール２０１は、図３に示すように、例えば、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３を収納するモジュール容器２０５とを備える。また、ＳＯＥＣモジュール２０１は、原料ガス供給管２０７と複数の原料ガス供給枝管２０７ａおよび原料ガス排出管２０９と複数の原料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＥＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）および酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
【0053】
原料ガス供給管２０７は、モジュール容器２０５の内部に設けられ、ＳＯＥＣモジュール２０１の水素生成量に対応して所定ガス組成と所定流量の原料ガスを供給する原料ガス供給部に接続されると共に、複数の原料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この原料ガス供給管２０７は、上述の原料ガス供給部から供給される所定流量の原料ガスを、複数の原料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、原料ガス供給枝管２０７ａは、原料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３に接続されている。この原料ガス供給枝管２０７ａは、原料ガス供給管２０７から供給される原料ガスを複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３の水素生成能を略均一化させるものである。
【0054】
原料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３に接続されると共に、原料ガス排出管２０９に接続されている。この原料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＥＣカートリッジ２０３から排出される排原料ガスを原料ガス排出管２０９に導くものである。また、原料ガス排出管２０９は、複数の原料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部がモジュール容器２０５の外部に配置されている。この原料ガス排出管２０９は、原料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排原料ガスをモジュール容器２０５の外部に導くものである。
【0055】
モジュール容器２０５は、耐圧性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【0056】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３が集合化されてモジュール容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＥＣカートリッジ２０３が集合化されずにモジュール容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【0057】
（ＳＯＥＣカートリッジ）
ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、図４に示す通り、複数のセルスタック１０１と、電解室２１５と、原料ガス供給ヘッダ２１７と、原料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、原料ガス供給ヘッダ２１７と原料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図４のように配置されることで、原料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、図４に示す通り、複数のセルスタック１０１と、電解室２１５と、原料ガス供給ヘッダ２１７と、原料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＥＣカートリッジ２０３は、原料ガス供給ヘッダ２１７と原料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図４のように配置されることで、原料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【0058】
電解室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この電解室２１５は、セルスタック１０１の電解単セル１０５が配置された領域であり、原料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて水素生成を行う領域である。また、この電解室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度を、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視してもよく、電解セルモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。
【0059】
原料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた原料ガス供給孔２３１ａによって、原料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、原料ガス供給ヘッダ２１７は、原料ガス供給枝管２０７ａから原料ガス供給孔２３１ａを介して供給される原料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の水素生成量を略均一化させるものである。
【0060】
原料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた原料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない原料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、原料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して原料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排原料ガスを集合して、原料ガス排出孔２３１ｂを介して原料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
【0061】
ＳＯＥＣモジュール２０１の水素生成量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＥＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して電解室２１５に導くものである。
【0062】
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＥＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、電解室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【0063】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１がそれぞれ挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａおよび接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、原料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
【0064】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
【0065】
この上部断熱体２２７ａは、電解室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。また、上部管板２２５ａ等が電解室２１５内の高温に晒されて温度差による上部管板２２５ａ等の熱変形を抑制するために、Ｎｉ基合金などの高温耐久性のある金属材料を用いてもよい。また、上部断熱体２２７ａは、電解室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
【0066】
本実施形態によれば、上述したＳＯＥＣカートリッジ２０３の構造により、原料ガスと排酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って電解室２１５に供給される原料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、原料ガスは、電解室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、電解室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく水素生成に適した温度に予熱昇温された原料ガスを電解室２１５に供給することができる。
【0067】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１がそれぞれ挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂおよび接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、原料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
【0068】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＥＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
【0069】
この下部断熱体２２７ｂは、電解室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて電解室２１５に導くものである。
【0070】
本実施形態によれば、上述したＳＯＥＣカートリッジ２０３の構造により、排原料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って電解室２１５を通過した排原料ガスは、電解室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて原料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排原料ガスとの熱交換により昇温され、電解室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく水素生成に必要な温度に昇温された酸化性ガスを電解室２１５に供給することができる。
【0071】
次に、電解単セル１０５の幅、第１端部１０と第２端部１２の長さ（Ｌ１，Ｌ３）の設定根拠について説明する。
【0072】
（試験１）
第１端部１０または第１端部１０および第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｂ、１０５ｃの幅を、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａよりも大きくしたセルスタック（実施例１，２）における、軸方向の温度分布をシミュレートした。対照として、第１端部１０、中央部１１および第２端部１２に位置する電解単セル１０５の幅がすべて同じである従来のセルスタックについても、同様にシミュレートした（比較例１，２）。シミュレートは、電解セル幅変更による電極面積の違いからセル抵抗変化を計算し、抵抗値及び電流による発熱量に基づくヒートバランス変化により計算した。また、セルスタック長さは一定とし、セル寸法の変化によりセル数が変化することを考慮し、水素生成量は電流値とセル数から算出した。
第１端部１０または第１端部１０および第２端部１２に位置する電解単セル１０５ｂ、１０５ｃの幅を、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａよりも大きくしたセルスタック（実施例１，２）における、軸方向の温度分布をシミュレートした。対照として、第１端部１０、中央部１１および第２端部１２に位置する電解単セル１０５の幅がすべて同じである従来のセルスタックについても、同様にシミュレートした（比較例１，２）。シミュレートは、電解セル幅変更による電極面積の違いからセル抵抗変化を計算し、抵抗値及び電流による発熱量に基づくヒートバランス変化により計算した。また、セルスタック長さは一定とし、セル寸法の変化によりセル数が変化することを考慮し、水素生成量は電流値とセル数から算出した。
【0073】
第１端部１０、中央部１１および第２端部１２に位置する電解単セルの幅（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）は、以下の通りとした。
比較例１：Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３（基準電流）
比較例２：Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３（高電流）
実施例１：Ｗ１＞Ｗ２＝Ｗ３（高電流）
実施例２：Ｗ１＝Ｗ３＞Ｗ２（高電流）
比較例１：Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３（基準電流）
比較例２：Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３（高電流）
実施例１：Ｗ１＞Ｗ２＝Ｗ３（高電流）
実施例２：Ｗ１＝Ｗ３＞Ｗ２（高電流）
【0074】
比較例１，２および実施例１，２において、同一部内に位置する電解単セルの幅は同じとした。基体管１０３のサイズ、セル部１０４の軸方向の長さ（Ｌ）、長さ（Ｌ）に対する第１端部１０、中央部１１および第２端部１２の軸方向の長さ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）はすべて同じとした。比較例２および実施例１，２に流す電流は、比較例１より高い電流とした。
【0075】
図５は、（Ａ）実施例２のセルスタックの模式図と、（Ｂ）（Ａ）に記載のセルスタックの軸方向の温度分布のシミュレーション結果である。図５には、実施例１，２および比較例１，２の温度分布も記載した。図５において、横軸はセルスタックの温度（℃）、縦軸はセルスタック（基体管）の軸方向長さ（ｍｍ）である。縦軸の長さは、第２端部の最下部（中央部側とは逆の端部）を０とした。原料ガスは、セルスタックの第１端部側から第２端部側へと流れるものとする。なお、セルスタックの温度とは、セルスタックの軸方向長さと同じ位置となる電解室２１５内部の温度でもよい。
【0076】
比較例１，２および実施例１，２は、いずれも、セルスタックの軸方向端部で温度が低く、中央部分の温度が最も高くなる傾向を示した。比較例１，２を比べると、電流を高くした比較例２の方がセルスタックの最高温度は高かった。セルスタックに電流を流すと、ジュール熱が発生し、セルスタックの温度が上昇する。ジュール熱は（電流）２×抵抗で定義されるため、流す電流を増やすと、ジュール熱も多く発生する。
【0077】
同等の電流を流した比較例２と実施例１，２を比べると、幅広の電解単セルを含む実施例１，２の最高温度は、比較例２よりも低くかった。中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅よりも、幅の大きな（広い）電解単セルを第１端部１０および／または第２端部１２に配置することで、セルスタックの最高温度を低くできることが確認された。セルスタックの温度が高くなりすぎると、水素極のＮｉがシンタリングして電解単セルの内部抵抗が増加することになり、セルスタック自身の耐久性の悪化につながる。よって、最高温度を低くできることは有益である。
【0078】
セルスタックの両端は管板で保持されている。セルスタックの温度が高くなりすぎると、管板の劣化につながる。図５の結果によれば、中央部１１に位置する電解単セル１０５ａの幅よりも、幅の大きな（広い）電解単セルを第１端部１０および／または第２端部１２に配置することで、セルスタックを支える管板の劣化も抑制できることが示唆された。
【0079】
実施例１，２を比べると、セル部１０４の両端に幅広の電解単セルを含む実施例２の最高温度の方が低かった。この結果から、幅広の電解単セルを第１端部１０と第２端部１２の両方に配置する、または、幅広の電解単セルを増やすことで、温度抑制の効果が大きくなることが示唆された。
【0080】
セルスタックに流す電流密度を増やすと、それに応じて原料ガスが多く分解され、水素生成量が増える。実施例１，２では、従来よりも多く電流を流しても、セルスタックの最高温度を従来よりも低く抑えられる。実施例２の最高温度は、電流密度が低い比較例１と同程度であった。
【0081】
（試験２）
第１端部、中央部、第２端部に位置する電解単セルの幅を変えたセルスタック（実施例３～１１）について、平均電圧：１．５Ｖ、最高温度設定値：９５０℃での使用をシミュレートし、電流密度、セルスタック（基体管）の最高温度（℃）、下部管板温度（℃）および水素生成量を算出した。水素生成量は、比較例１の水素生成量を１とした比で記載した。シミュレートは電解セル幅変更による電極面積の違いからセル抵抗変化を計算し、抵抗値及び電流による発熱量に基づくヒートバランス変化により計算した。また、セルスタック長さは一定とし、セル寸法の変化によりセル数が変化することを考慮し、水素生成量は電流値とセル数から算出した。セル部長さ１００％に対する第１端部長さ（Ｌ１）、中央部長さ（Ｌ２）、第２端部長さ（Ｌ３）のパーセンテージは、それぞれ１０％，８０％，１０％とした。
第１端部、中央部、第２端部に位置する電解単セルの幅を変えたセルスタック（実施例３～１１）について、平均電圧：１．５Ｖ、最高温度設定値：９５０℃での使用をシミュレートし、電流密度、セルスタック（基体管）の最高温度（℃）、下部管板温度（℃）および水素生成量を算出した。水素生成量は、比較例１の水素生成量を１とした比で記載した。シミュレートは電解セル幅変更による電極面積の違いからセル抵抗変化を計算し、抵抗値及び電流による発熱量に基づくヒートバランス変化により計算した。また、セルスタック長さは一定とし、セル寸法の変化によりセル数が変化することを考慮し、水素生成量は電流値とセル数から算出した。セル部長さ１００％に対する第１端部長さ（Ｌ１）、中央部長さ（Ｌ２）、第２端部長さ（Ｌ３）のパーセンテージは、それぞれ１０％，８０％，１０％とした。
【0082】
図６，７は、各実施例における電解単セルの幅条件およびシミュレーション結果である。
【0083】
本試験では、セルスタックの最高温度が９５０℃になるように電流密度を設定した。図６によれば、セル部に含まれるすべての電解単セルの幅が等しい比較例３，４に比べ、第１端部および／または第２端部に、中央部よりも幅広の電解単セルが配置された実施例３～５の方が電流を多く流すことができ、水素生成量も多くなるとの結果が示された。実施例３～５を比べると、第１端部および第２端部の両方に幅広の電解単セルが配置された実施例５で、最も多く電流を流すことができ、水素も多く生成できることが示唆された。
【0084】
図７によれば、第１端部および第２端部に位置する電解単セルの幅を、中央部に位置する電解単セルの幅に対して１．５～３倍大きくした実施例５～９において、電流密度および水素生成量をより高くできることが確認された。実施例５～９は、下部管板温度も比較例３より低かった。
【0085】
実施例５と実施例７を比べると、第１端部と第２端部の両方で電解単セルの幅を２倍にした実施例５よりも、第２端部に位置する電解単セルの幅（Ｗ３）を２倍にし、かつ、第１端部に位置する電解単セル（Ｗ１）よりも大きくした実施例７の方が、電流密度および水素生成量が多かった。これにより、第２端部に位置する電解単セルの幅の方が、電流密度および水素生成量への影響が大きいことが示唆された。
【0086】
第１端部および第２端部に位置する電解単セルの幅が中央部のそれに対して１．３倍大きい実施例１０は、実施例５～１１の中で最も流せる電流密度が低かった。実施例１１は、実施例５，６と同じ電流密度であったが、水素生成量は低くかった。
【0087】
実施例５～１１において、第１端部および第２端部の軸方向の長さ（Ｌ１，Ｌ３）は共通である。電解単セルの幅を大きくすると、第１端部および第２端部内に配置できる電解単セルの個数が少なくなり、結果としてセル部全体の電解単セル数が減る。電解単セルの個数は、水素生成量に影響する。実施例１１では、電解単セルの幅を大きくしすぎた結果、電解単セルの個数が減り、それが水素生成量に影響したと考えられる。実施例８，９でも実施例７と同様にセル部の電解単セル数が減少しているが、流せる電流密度の増加分が、電解単セル数の減少による水素生成量への影響を補った結果、水素生成量が多くなったと考えられる。
【0088】
図６，７によれば、第１端部および第２端部に配置する電解単セルの幅を大きくするほど、下部管板温度は低くなる傾向が示された。
【0089】
（試験３）
セル部における第１端部、中央部、第２端部の長さ（基体管の軸方向を向く長さ）を変えたセルスタックについて、平均電圧：１．５Ｖ、最高温度設定値：９５０℃での使用をシミュレートし、電流密度、セルスタック（基体管）の最高温度（℃）、下部管板温度（℃）および水素生成量を算出した。各実施例におけるセルスタックのサイズおよびセル部の全長は共通である。水素生成量は、比較例１の水素生成量を１とした比で記載した。シミュレートは電解セル幅変更による電極面積の違いからセル抵抗変化を計算し、抵抗値及び電流による発熱量に基づくヒートバランス変化により計算した。また、セルスタック長さは一定とし、セル寸法の変化によりセル数が変化することを考慮し、水素生成量は電流値とセル数から算出した。第１端部および第２端部に位置する電解単セルの幅（Ｗ１，Ｗ３）は、中央部のそれ（Ｗ２）に対して２倍大きいものとした。
セル部における第１端部、中央部、第２端部の長さ（基体管の軸方向を向く長さ）を変えたセルスタックについて、平均電圧：１．５Ｖ、最高温度設定値：９５０℃での使用をシミュレートし、電流密度、セルスタック（基体管）の最高温度（℃）、下部管板温度（℃）および水素生成量を算出した。各実施例におけるセルスタックのサイズおよびセル部の全長は共通である。水素生成量は、比較例１の水素生成量を１とした比で記載した。シミュレートは電解セル幅変更による電極面積の違いからセル抵抗変化を計算し、抵抗値及び電流による発熱量に基づくヒートバランス変化により計算した。また、セルスタック長さは一定とし、セル寸法の変化によりセル数が変化することを考慮し、水素生成量は電流値とセル数から算出した。第１端部および第２端部に位置する電解単セルの幅（Ｗ１，Ｗ３）は、中央部のそれ（Ｗ２）に対して２倍大きいものとした。
【0090】
図８は、各実施例におけるセル部長さの構成条件およびシミュレーション結果である。
【0091】
第１端部および第２端部に位置する電解単セルの幅を中央部のそれに対して２倍大きくした実施例５，１１～１６では、セル部に流せる電流密度およびセル部での水素生成量が比較例３，４よりも多くなるとの結果が示された。実施例５，１１～１６は、下部管板温度も比較例３，４より低かった。
【0092】
セル部の全長（１００％）に対して、第１端部長さおよび第２端部長さをそれぞれ５～２０％にした実施例５，１１～１４、中でも第１端部長さおよび第２端部長さをそれぞれ５～１０％にした実施例５，１１，１２において、水素生成量が特に多くなった。
【0093】
セル部全長に対する第１端部および第２端部の長さ割合が少ない実施例１５では、セル部に配置できる電解単セル数は多くなるが、セル部に流せる電流密度を他の実施例ほどは上げられなかった。セル部全長に対する第１端部および第２端部の長さ割合が大きい実施例１６では、セル部に流せる電流密度は増えるが、セル部に配置できる電解単セル数は少なくなった。この電解単セル数の減少が、実施例１６での水素生成量が他の実施例よりも低くなった要因であると考えられる。
【0094】
実施例１１は、第１端部長さが実施例５と同じであるが、第２端部長さは実施例５よりも長い。第２端部長さが長くなれば、第２端部内に配置できる電解単セル数が増える。すなわち、実施例１１は実施例５よりも第２端部内に配置された幅広の電解単セル数が多い。実施例１１は、実施例５よりも水素生成量が多かった。
【0095】
一方、実施例１１は、第２端部長さが実施例１３と同じであるが、第１端部長さは実施例５よりも短い。実施例１１は、第１端部に配置された幅広の電解単セル数が少ないにも関わらず、実施例１３よりも水素生成量が多かった。
【0096】
図８によれば、第１端部長さおよび第２端部長さを長くすると、下部管板温度は低くなる傾向が示された。
【0097】
〈付記〉
以上説明した実施形態に記載の電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法は、例えば以下のように把握される。
以上説明した実施形態に記載の電解セルスタック、電解セルカートリッジ、電解セルモジュールおよび電解セルスタックの製造方法は、例えば以下のように把握される。
【0098】
本開示の第１態様に係る電解セルスタック（１０１）は、Ｎｉを含む水素極（１０９）、酸素極（１１３）、固体電解質膜（１１１）を有し、基体管（１０３）の周方向に形成された電解単セル（１０５）と、基体管の軸方向に並べられた複数の電解単セルを電気的に接続するインターコネクタ（１０７）と、を備え、１つの前記電解単セルにおいて基体管の軸方向を向く、酸素極の端から端までの距離を電解単セルの幅（Ｗ）と定義し、複数の電解単セルが並べられている基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部（１０）、中央部（１１）および第２端部（１２）に区分けした場合に、第１端部および／または第２端部に位置する電解単セルの幅（Ｗ１，Ｗ３）が、中央部に位置する電解単セルの幅（Ｗ２）よりも大きい。
【0099】
電解単セルの幅が大きい（広い）と、電解単セル当たりの発熱量（ジュール熱）は低くなるが、電解単セル毎のイオン移動量および電流密度は変わらない。そのため、基体管上に並べた複数の電解単セルのうち、端の方（第１端部および／または第２端部）に、中央部よりも幅の大きな電解セルを配置することで、電解セルスタックの温度上昇を抑えつつ、１本当たりの電解セルスタックで電解による生成物量を増やすことが可能となる。
【0100】
本開示の第２態様に係る電解セルスタックは、上記第１態様において、前記第１端部および／または前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅が、前記中央部に位置する前記電解単セルの幅の１．５～３倍である。
【0101】
電解単セルの幅が小さすぎるとセルスタックの温度が上がりやすくなり、大きすぎると電解能力が低下する。第１端部および／または第２端部に位置する電解単セルの幅が、中央部のそれに対して１．５～３倍大きいサイズとすることで、温度上昇抑制能力と電解能力をバランスよく発揮し、多くの電解生成物量を得ることができる。
【0102】
本開示の第３態様に係る電解セルスタックは、上記第１態様または第２態様において、前記第１端部に位置する前記電解単セルの幅が、前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅と等しい。
【0103】
第１端部と第２端部の電解単セルの幅を揃えることで、製造が容易となる。
【0104】
本開示の第４態様に係る電解セルスタックは、上記第１態様または第２態様において、前記第１端部が前記基体管内のガス流れ方向上流側の端部であり、前記第２端部が前記基体管内のガス流れ方向下流側の端部であり、前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅は、前記第１端部に位置する前記電解単セルの幅よりも大きい。
【0105】
電解セルスタックは、中央部が最も高温となり、両端部は中央部よりも温度が低くなる。しかしながら、中央部を通過する際に原料ガスの温度が高くなるため、ガス流れ方向下流側の第２端部は、上流側の第１端部よりも温度が下がりにくい。第２端部に位置する前記電解単セルの幅を第１端部のそれよりも大きくし、第２端部におけるジュール熱の発生を抑制することで、最高温度を高く設定した場合でも電解セルスタックを保持する部材の許容温度を担保しやすくなる。
【0106】
本開示の第５態様に係る電解セルスタックは、上記第１態様～第４態様のいずれかにおいて、前記第１端部の軸方向の長さ（Ｌ１）が、前記中央部、前記第１端部および前記第２端部の前記軸方向の長さの合計（Ｌ）に対し、５％以上２０％以下である。
【0107】
幅広の電解単セルを含む領域を大きく（長く）すると、電解セルスタック全体に配置される電解単セル数が少なくなる。全体の電解単セル数が減れば、その分、トータルの電解生成物量も減る。第１端部の長さを上記範囲とすることで、電解単セル数の減少による影響を補い、電解生成物量の増加させることができる。
【0108】
本開示の第６態様に係る電解セルスタックは、上記第１態様～第５態様のいずれかにおいて、前記第２端部の軸方向の長さ（Ｌ３）が、前記中央部、前記第１端部および前記第２端部の前記軸方向の長さ（Ｌ）の合計に対し、５％以上２０％以下である。
【0109】
第２端部の長さを上記範囲とすることで、電解単セル数の減少による影響を補い、電解生成物量の増加させることができる。
【0110】
本開示の第７態様に係る電解セルスタックは、上記第１態様～第６態様のいずれかにおいて、前記第１端部が前記基体管内のガス流れ方向上流側の端部であり、前記第２端部が前記基体管内のガス流れ方向下流側の端部であり、前記第２端部の軸方向長さは、前記第１端部の軸方向長さよりも大きい。
【0111】
第２端部の長さを第１端部の長さよりも大きくすることで、第２端部におけるジュール熱の発生をより強く抑制できる。
【0112】
本開示の第８態様に係る電解セルカートリッジは、上記第１態様～第７態様のいずれかに記載の電解セルスタックを備えている。
【0113】
本開示の第９態様に係る電解セルモジュールは、上記第８態様に記載の電解セルカートリッジを備えている。
【0114】
本開示の第９態様に係る電解セルスタックの製造方法は、Ｎｉを含む水素極、酸素極、および水素極と酸素極との間に配置される固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セルと、前記基体管の軸方向に並べられた複数の前記電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備えた電解セルスタックの製造方法であって、１つの前記電解単セルにおいて前記基体管の軸方向を向く、前記酸素極の端から端までの距離を前記電解単セルの幅と定義し、複数の前記電解単セルが並べられている前記基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部、中央部および第２端部に区分けし、前記第１端部および／または前記第２端部に位置する前記電解単セルの幅を、前記中央部に位置する前記電解単セルの幅よりも大きく形成する。
【符号の説明】
【0115】
１０ 第１端部
１１ 中央部
１２ 第２端部
１０１ セルスタック（電解セルスタック）
１０３ 基体管
１０５ 電解単セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 水素極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 酸素極
１１５ リード膜
２０１ 電解セルモジュール（ＳＯＥＣモジュール）
２０３ 電解セルカートリッジ（ＳＯＥＣカートリッジ）
２０７ 原料ガス供給管
２０９ 原料ガス排出管
２１５ 電解室
２１７ 原料ガス供給ヘッダ
２１９ 原料ガス排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
１１ 中央部
１２ 第２端部
１０１ セルスタック（電解セルスタック）
１０３ 基体管
１０５ 電解単セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 水素極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 酸素極
１１５ リード膜
２０１ 電解セルモジュール（ＳＯＥＣモジュール）
２０３ 電解セルカートリッジ（ＳＯＥＣカートリッジ）
２０７ 原料ガス供給管
２０９ 原料ガス排出管
２１５ 電解室
２１７ 原料ガス供給ヘッダ
２１９ 原料ガス排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
【要約】
【課題】本開示は、セルスタックの温度上昇を抑えつつ、電解による生成物量を増やすことのできる電解セルスタックを提供することを目的とする。
【解決手段】本開示に係る電解セルスタック１０１は、Ｎｉを含む水素極、酸素極、固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セル１０５と、基体管の軸方向に並べられた複数の電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備え、１つの電解単セルにおいて基体管の軸方向を向く、酸素極の端から端までの距離を電解単セルの幅Ｗと定義し、複数の電解単セルが並べられている基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部１０、中央部１１および第２端部１２に区分けした場合に、第１端部および／または第２端部に位置する電解単セル１０５ｂ，１０５ｃの幅Ｗ１，Ｗ３が、中央部に位置する電解単セル１０５ａの幅Ｗ２よりも大きい。
【選択図】図１
【解決手段】本開示に係る電解セルスタック１０１は、Ｎｉを含む水素極、酸素極、固体電解質膜を有し、基体管の周方向に形成された電解単セル１０５と、基体管の軸方向に並べられた複数の電解単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備え、１つの電解単セルにおいて基体管の軸方向を向く、酸素極の端から端までの距離を電解単セルの幅Ｗと定義し、複数の電解単セルが並べられている基体管上の領域を、軸方向に沿って第１端部１０、中央部１１および第２端部１２に区分けした場合に、第１端部および／または第２端部に位置する電解単セル１０５ｂ，１０５ｃの幅Ｗ１，Ｗ３が、中央部に位置する電解単セル１０５ａの幅Ｗ２よりも大きい。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
