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JP2014207120A - Solid oxide electrochemical cell stack structure and hydrogen power storage system - Google Patents

Solid oxide electrochemical cell stack structure and hydrogen power storage system Download PDF

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JP2014207120A JP2013083729A JP2013083729A JP2014207120A JP 2014207120 A JP2014207120 A JP 2014207120A JP 2013083729 A JP2013083729 A JP 2013083729A JP 2013083729 A JP2013083729 A JP 2013083729A JP 2014207120 A JP2014207120 A JP 2014207120A
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Abstract

【課題】熱交換効率が向上され、また側面部に設けられるシール材の破損も抑制可能な固体酸化物形電気化学セルスタック構造体を提供する。【解決手段】固体酸化物形電気化学セルスタック構造体は、複数のセルスタックと、これらのセルスタック間に配置された平板状熱交換器とを有する。それぞれのセルスタックは、複数の平板状固体酸化物形電気化学セルが積層されて構成される。【選択図】図1The present invention provides a solid oxide electrochemical cell stack structure in which heat exchange efficiency is improved and damage to a sealing material provided on a side surface portion can be suppressed. A solid oxide electrochemical cell stack structure includes a plurality of cell stacks and a flat plate heat exchanger disposed between the cell stacks. Each cell stack is formed by laminating a plurality of planar solid oxide electrochemical cells. [Selection] Figure 1

Description

本発明の実施形態は、固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システムに関する。   Embodiments of the present invention relate to a solid oxide electrochemical cell stack structure and a hydrogen power storage system.

電気化学装置として、電解質の両主面に1対の電極を有する平板状の電気化学セルがセパレータを介して複数積層されたものが知られている。このような電気化学装置は、例えば、各電気化学セルにおける一方の電極に空気等の酸化剤が供給され、他方の電極に水素等の還元剤が供給され、これらが電気化学的に反応することで燃料電池として用いられる。   As an electrochemical device, a device in which a plurality of flat electrochemical cells each having a pair of electrodes on both main surfaces of an electrolyte are stacked via a separator is known. In such an electrochemical device, for example, an oxidant such as air is supplied to one electrode in each electrochemical cell, and a reducing agent such as hydrogen is supplied to the other electrode, and these react electrochemically. And used as a fuel cell.

電気化学装置の中でも電解質として固体酸化物を用いたものは、運転温度が700〜1000℃と高いことから、他の電解質を用いたものと比べて以下の特徴を有する。すなわち、水素以外にも、一酸化炭素を燃料として用いることができる。また、内部でガス改質できることから、改質器が不要となる。さらに、排出ガス等の高温の排熱を利用してガスタービン発電機や蒸気タービン発電機を動かすことで、高い発電効率が期待できる。   Among electrochemical devices, those using a solid oxide as an electrolyte have the following characteristics as compared with those using other electrolytes because the operating temperature is as high as 700 to 1000 ° C. That is, in addition to hydrogen, carbon monoxide can be used as a fuel. In addition, since the gas can be reformed inside, a reformer is unnecessary. Furthermore, high power generation efficiency can be expected by moving a gas turbine generator or a steam turbine generator using high-temperature exhaust heat such as exhaust gas.

一般に、電気化学装置では、発電効率等の観点から、酸化剤、還元剤等の反応ガスが電気化学セルにおいてのみ反応し、これ以外の部分で、混合または反応しないことが求められる。電気化学セル以外での混合および反応を抑制するために、反応ガスの流路や電気化学セル周辺部からの反応ガスの漏れを抑制することが求められる。また、電気化学装置から外部である大気等への反応ガスの漏れを抑制することが求められる。   In general, in an electrochemical device, from the viewpoint of power generation efficiency and the like, it is required that reaction gases such as an oxidizing agent and a reducing agent react only in an electrochemical cell and do not mix or react in other portions. In order to suppress mixing and reaction other than in the electrochemical cell, it is required to suppress leakage of the reaction gas from the reaction gas flow path and the periphery of the electrochemical cell. In addition, it is required to suppress leakage of the reaction gas from the electrochemical device to the outside atmosphere or the like.

反応ガスの漏れを抑制するために、電気化学セルとセパレータとの間にシール材が設けられる。シール材には、電気化学セルと適切に密着し、また温度変化に伴って発生する各部の内部応力またはゆるみを吸収することが求められる。シール材の材料として、ガラスの他、マイカおよびバーミキュライト等の層状あるいは高温膨張性のある鉱物(例えば、特許文献1参照)、セパレータまたは固体電解質と同等の熱膨張収縮特性を有する材料(例えば、特許文献2参照)が知られている。   In order to suppress leakage of the reaction gas, a sealing material is provided between the electrochemical cell and the separator. The sealing material is required to be in close contact with the electrochemical cell and to absorb internal stress or loosening of each part that occurs with a temperature change. As a material of the sealing material, in addition to glass, a layered or high-temperature-expandable mineral such as mica and vermiculite (for example, see Patent Document 1), a material having a thermal expansion / shrinkage property equivalent to a separator or a solid electrolyte (for example, a patent) Document 2) is known.

特開2011−228171号公報JP 2011-228171 A 特開2012−109251号公報JP 2012-109251 A

近年、電解質として固体酸化物を用いた電気化学装置、具体的には、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)または固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolysis Cell)を、水素電力貯蔵システムに用いることが検討されている。水素電力貯蔵システムは、例えば、太陽光や風力発電等の出力変動が大きい再生可能エネルギーを使って水の電気分解により水素を製造して貯蔵しておき、必要時に水素を燃料として燃料電池発電を行う。   In recent years, an electrochemical device using a solid oxide as an electrolyte, specifically, a solid oxide fuel cell (SOFC) or a solid oxide electrolysis cell (SOEC), It is being considered for use in hydrogen power storage systems. Hydrogen power storage systems, for example, produce and store hydrogen by electrolysis of water using renewable energy with large output fluctuations such as solar power and wind power generation, and generate fuel cell power generation using hydrogen as fuel when necessary. Do.

このような水素電力貯蔵システムでは、水素製造が吸熱反応となり、発電反応が発熱反応となる。従って、水素製造時に電気化学装置に熱を供給し、発電反応時に電気化学装置から熱を取り出すことで、水素電力貯蔵システムを高効率化できる。このような場合、電気化学装置に熱交換手段を設けることが必要となる。   In such a hydrogen power storage system, hydrogen production becomes an endothermic reaction, and a power generation reaction becomes an exothermic reaction. Therefore, the hydrogen power storage system can be made highly efficient by supplying heat to the electrochemical device during hydrogen production and extracting heat from the electrochemical device during the power generation reaction. In such a case, it is necessary to provide heat exchange means in the electrochemical device.

しかし、単に複数の電気化学セルの積層方向における両端部に熱交換手段を設けた場合、積層方向における中央部と両端部との温度差が大きくなり、必ずしも熱交換効率が高くならない。特に、多数の電気化学セルの積層方向における両端部に熱交換手段を設けた場合、熱交換効率が高くならない。また、反応ガスの漏れを抑制する観点から、電気化学セルとセパレータとの間に加えて、これらの側面部を覆うようにシール材を設けることが好ましいが、複数の電気化学セルとセパレータとの側面部の全体を覆うように連続してシール材を設けた場合、個々の部品の熱膨張差および位置ずれ等によってシール材が破損しやすい。   However, when heat exchange means is simply provided at both ends in the stacking direction of a plurality of electrochemical cells, the temperature difference between the center and both ends in the stacking direction becomes large, and the heat exchange efficiency does not necessarily increase. In particular, when heat exchange means are provided at both ends in the stacking direction of a large number of electrochemical cells, the heat exchange efficiency does not increase. In addition, from the viewpoint of suppressing the leakage of the reaction gas, it is preferable to provide a sealing material so as to cover these side surfaces in addition to between the electrochemical cell and the separator. When the sealing material is continuously provided so as to cover the entire side surface portion, the sealing material is likely to be damaged due to a difference in thermal expansion and displacement of individual components.

本発明が解決しようとする課題は、熱交換効率が向上され、また側面部に設けられるシール材の破損も抑制可能な固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システムを提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a solid oxide electrochemical cell stack structure and a hydrogen power storage system that can improve heat exchange efficiency and can also prevent damage to a sealing material provided on a side surface portion. It is.

実施形態の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体は、複数のセルスタックと、これらのセルスタック間に配置された平板状熱交換器とを有する。それぞれのセルスタックは、複数の平板状固体酸化物形電気化学セルが積層されて構成される。   The solid oxide electrochemical cell stack structure according to the embodiment includes a plurality of cell stacks and a flat plate heat exchanger disposed between the cell stacks. Each cell stack is formed by laminating a plurality of planar solid oxide electrochemical cells.

本発明により、熱交換効率が向上され、また側面部に設けられるシール材の破損も抑制することができる。   According to the present invention, heat exchange efficiency is improved, and damage to the sealing material provided on the side surface portion can be suppressed.

固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の積層構造の一例を模式的に示す図。The figure which shows typically an example of the laminated structure of a solid oxide type electrochemical cell stack structure. 固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の他の積層構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the other laminated structure of a solid oxide type electrochemical cell stack structure. 積層方向の一端部に平板状熱交換器を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の積層構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the laminated structure of the solid oxide type electrochemical cell stack structure which has a flat heat exchanger in the one end part of the lamination direction. 積層方向の両端部に平板状熱交換器を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の積層構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the laminated structure of the solid oxide type electrochemical cell stack structure which has a flat heat exchanger in the both ends of the lamination direction. 固体酸化物形電気化学セルを有する積層単位の一例を示す分解断面図。The exploded sectional view showing an example of the lamination unit which has a solid oxide type electrochemical cell. 端部カバーが設けられた電気化学セルの一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of the electrochemical cell provided with the edge part cover. 平板状熱交換器の一例を示す断面図。Sectional drawing which shows an example of a flat heat exchanger. 金属箔を介したセルスタックと平板状熱交換器との積層方法の一例を模式的に示す図。The figure which shows typically an example of the lamination | stacking method of the cell stack and flat plate heat exchanger via metal foil. 側面部シール材を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の一例を模式的に示す図。The figure which shows typically an example of the solid oxide type electrochemical cell stack structure which has a side part sealing material. 水素電力貯蔵システムの一例を示す構成図。The block diagram which shows an example of a hydrogen power storage system.

以下、固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、固体酸化物形電気化学セルスタック構造体を単に構造体と記す。   Hereinafter, embodiments of a solid oxide electrochemical cell stack structure and a hydrogen power storage system will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, a solid oxide electrochemical cell stack structure is simply referred to as a structure.

図1は、実施形態の構造体の積層構造の一例を示す模式図である。
構造体10は、複数のセルスタック11と、これらのセルスタック11間に配置された平板状熱交換器12とを有する。それぞれのセルスタック11は、複数の平板状固体酸化物形電気化学セル13が積層されて構成される。なお、平板状固体酸化物形電気化学セル13は、実際には図示しないセパレータ等を介して積層される。以下の説明では、平板状固体酸化物形電気化学セル13を単に電気化学セル13と記す。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a laminated structure of the structure according to the embodiment.
The structure 10 includes a plurality of cell stacks 11 and a flat plate heat exchanger 12 disposed between the cell stacks 11. Each cell stack 11 is configured by laminating a plurality of flat solid oxide electrochemical cells 13. The flat solid oxide electrochemical cell 13 is actually stacked through a separator or the like (not shown). In the following description, the flat solid oxide electrochemical cell 13 is simply referred to as an electrochemical cell 13.

セルスタック11間に平板状熱交換器12を配置することで、積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。特に、構造体10の全体として多数の電気化学セル13が積層される場合、これらの電気化学セル13を2以上の部分(セルスタック11)に分割して、これらの間に平板状熱交換器12を配置することで、例えば、積層方向における両端部にのみ平板状熱交換器を配置する場合と比べて、積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。   By disposing the flat plate heat exchanger 12 between the cell stacks 11, the temperature difference in the stacking direction can be reduced and the heat exchange efficiency can be improved. In particular, when a large number of electrochemical cells 13 are stacked as a whole of the structure 10, these electrochemical cells 13 are divided into two or more parts (cell stack 11), and a flat plate heat exchanger is interposed between them. By arranging 12, for example, the temperature difference in the laminating direction can be reduced and the heat exchange efficiency can be improved as compared with the case where flat plate heat exchangers are arranged only at both ends in the laminating direction.

構造体10は、少なくとも2個のセルスタック11と、これらのセルスタック11間に配置される1個の平板状熱交換器12とを有していればよいが、例えば、図2に示すように、セルスタック11を3個以上有し、それぞれのセルスタック11間に平板状熱交換器12を有することが好ましい。セルスタック11の個数を多くすることで、さらに積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。   The structure 10 may have at least two cell stacks 11 and one flat plate heat exchanger 12 disposed between the cell stacks 11. For example, as shown in FIG. In addition, it is preferable to have three or more cell stacks 11 and a flat plate heat exchanger 12 between the cell stacks 11. Increasing the number of cell stacks 11 can further reduce the temperature difference in the stacking direction and improve the heat exchange efficiency.

セルスタック11の個数の上限は必ずしも限定されず、構造体10における全ての電気化学セル13の個数、積層方向における温度差等を考慮して適宜選択できる。一般に、セルスタック11の個数が少なくなると、それぞれのセルスタック11における電気化学セル13の個数が多くなることから、積層方向における温度差が大きくなる。従って、構造体10における全ての電気化学セル13の個数等に応じて、それぞれのセルスタック11における電気化学セル13の個数が過度に多くならないように、それぞれのセルスタック11の個数を決定することが好ましい。   The upper limit of the number of cell stacks 11 is not necessarily limited, and can be appropriately selected in consideration of the number of all electrochemical cells 13 in the structure 10, temperature differences in the stacking direction, and the like. In general, when the number of cell stacks 11 decreases, the number of electrochemical cells 13 in each cell stack 11 increases, so that the temperature difference in the stacking direction increases. Therefore, according to the number of all the electrochemical cells 13 in the structure 10, etc., the number of the respective cell stacks 11 is determined so that the number of the electrochemical cells 13 in each of the cell stacks 11 is not excessively increased. Is preferred.

なお、構造体10における全ての電気化学セル13の個数は、必ずしも限定されないが、9個以上が好ましく、15個以上がより好ましく、30個以上がさらに好ましい。また、構造体10における全ての電気化学セル13の個数の上限は、必ずしも制限されないが、100個以下が好ましい。   The number of all electrochemical cells 13 in the structure 10 is not necessarily limited, but is preferably 9 or more, more preferably 15 or more, and further preferably 30 or more. The upper limit of the number of all electrochemical cells 13 in the structure 10 is not necessarily limited, but is preferably 100 or less.

それぞれのセルスタック11は、2個以上の電気化学セル13が積層されて構成される。このようなセルスタック11間に平板状熱交換器12を配置することで、積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。   Each cell stack 11 is configured by stacking two or more electrochemical cells 13. By arranging the flat plate heat exchanger 12 between the cell stacks 11 as described above, it is possible to reduce the temperature difference in the stacking direction and improve the heat exchange efficiency.

それぞれのセルスタック11における電気化学セル13の個数は、2個以上であれば必ずしも制限されないが、3個以上が好ましく、4個以上がより好ましく、5個以上がさらに好ましい。セルスタック11における電気化学セル13の個数を多くすることで、セルスタック11の個数を低減して、平板状熱交換器12の個数が過度に増加することを抑制できる。   The number of electrochemical cells 13 in each cell stack 11 is not necessarily limited as long as it is 2 or more, but is preferably 3 or more, more preferably 4 or more, and even more preferably 5 or more. By increasing the number of electrochemical cells 13 in the cell stack 11, it is possible to reduce the number of cell stacks 11 and suppress an excessive increase in the number of flat plate heat exchangers 12.

また、それぞれのセルスタック11における電気化学セル13の個数の上限は、必ずしも制限されないが、積層方向における温度差を小さくする観点から、20個以下が好ましく、15個以下がより好ましく、10個以下がさらに好ましい。なお、それぞれのセルスタック11における電気化学セル13の個数は、必ずしも一定である必要はなく、互いに同一でも異なってもよい。   The upper limit of the number of electrochemical cells 13 in each cell stack 11 is not necessarily limited, but is preferably 20 or less, more preferably 15 or less, and more preferably 10 or less from the viewpoint of reducing the temperature difference in the stacking direction. Is more preferable. Note that the number of electrochemical cells 13 in each cell stack 11 is not necessarily constant, and may be the same or different.

なお、構造体10においては、複数の電気化学セル13が積層されたセルスタック11と平板状熱交換器12とが必ずしも厳密に交互に積層されている必要はない。例えば、構造体10は、一部にセルスタック11を構成しない単独の電気化学セル13を有してもよい。この場合、一部の平板状熱交換器12については、一方の主面または両主面に単独の電気化学セル13が配置される。構造体10は、このように一部に単独の電気化学セル13を有することができるが、単独の電気化学セル13の個数は全ての電気化学セル13の個数の10%以下が好ましく、単独の電気化学セル13を有しないことがより好ましい。すなわち、構造体10は、複数の電気化学セル13が積層されたセルスタック11と、平板状熱交換器12とから構成されることがより好ましい。   In the structure 10, the cell stack 11 in which a plurality of electrochemical cells 13 are stacked and the flat plate heat exchanger 12 do not necessarily have to be strictly stacked alternately. For example, the structure 10 may include a single electrochemical cell 13 that does not constitute the cell stack 11 in part. In this case, with respect to some flat plate heat exchangers 12, a single electrochemical cell 13 is disposed on one main surface or both main surfaces. The structure 10 can partially have a single electrochemical cell 13 as described above, but the number of single electrochemical cells 13 is preferably 10% or less of the number of all electrochemical cells 13. More preferably, the electrochemical cell 13 is not provided. That is, the structure 10 is more preferably composed of a cell stack 11 in which a plurality of electrochemical cells 13 are stacked and a flat plate heat exchanger 12.

また、構造体10は、セルスタック11間に配置されない平板状熱交換器12を有してもよい。例えば、図3に示すように、積層方向の一端部に平板状熱交換器12が配置されてもよいし、図4に示すように、積層方向の両端部に平板状熱交換器12が配置されてもよい。   Further, the structure 10 may include a flat plate heat exchanger 12 that is not disposed between the cell stacks 11. For example, as shown in FIG. 3, the flat plate heat exchanger 12 may be disposed at one end portion in the stacking direction, or as shown in FIG. 4, the flat plate heat exchanger 12 is disposed at both end portions in the stacking direction. May be.

次に、電気化学セル13の具体的構成について説明する。
図5は、電気化学セル13を有する積層単位の一例を示す分解断面図である。
Next, a specific configuration of the electrochemical cell 13 will be described.
FIG. 5 is an exploded cross-sectional view showing an example of a laminated unit having the electrochemical cell 13.

電気化学セル13は、例えば、水素等の還元剤と酸素等の酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーと水蒸気とを得る、または一方の電極で水蒸気等を電気分解により還元して、他方の電極で酸素イオンを放出するものである。   The electrochemical cell 13 obtains electric energy and water vapor by electrochemically reacting a reducing agent such as hydrogen and an oxidizing agent such as oxygen, or reduces water vapor etc. by electrolysis with one electrode. The other electrode releases oxygen ions.

電気化学セル13は、平板状を有するものであって、例えば、支持基材である水素極多孔質基材131の片面に、燃料極132、電解質膜133、および空気極134をこの順に有する。すなわち、電気化学セル13は、電解質膜133と、電解質膜133の一方の主面に設けられる空気極134と、電解質膜133の他方の主面に設けられる燃料極132とから主として構成される。   The electrochemical cell 13 has a flat plate shape, and has, for example, a fuel electrode 132, an electrolyte membrane 133, and an air electrode 134 in this order on one surface of a hydrogen electrode porous substrate 131 that is a support substrate. That is, the electrochemical cell 13 is mainly composed of an electrolyte membrane 133, an air electrode 134 provided on one main surface of the electrolyte membrane 133, and a fuel electrode 132 provided on the other main surface of the electrolyte membrane 133.

電解質膜133は、電子絶縁性とイオン伝導性とを有する固体酸化物から構成される。また、電解質膜133は、ガスリークが実質的に無視できる程度の稠密に構成される。電解質膜133の構成材料としては、公知の固体酸化物形燃料電池(SOFC)における電解質膜の構成材料を特に制限なく用いることができる。例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物等のイオン伝導性を有するセラミックス材料が挙げられる。なお、電解質膜133の構成材料は、これらに限定されない。電解質膜133の厚さは、必ずしも制限されないが、機械的強度および発電特性の観点から、5〜500μmが好ましい。   The electrolyte membrane 133 is made of a solid oxide having electronic insulation and ion conductivity. In addition, the electrolyte membrane 133 is formed dense so that gas leakage can be substantially ignored. As a constituent material of the electrolyte membrane 133, a constituent material of an electrolyte membrane in a known solid oxide fuel cell (SOFC) can be used without particular limitation. For example, a ceramic material having ion conductivity such as a ceria-based oxide doped with samarium or gadolinium, a lanthanum galide-based oxide doped with strontium or magnesium, or a zirconia-based oxide containing scandium or yttrium can be given. In addition, the constituent material of the electrolyte membrane 133 is not limited to these. The thickness of the electrolyte membrane 133 is not necessarily limited, but is preferably 5 to 500 μm from the viewpoint of mechanical strength and power generation characteristics.

燃料極132の構成材料としては、公知の固体酸化物形燃料電池(SOFC)における燃料極の構成材料を特に制限なく用いることができる。例えば、金属触媒と、イオン伝導性を有するセラミックス材料からなる粉末との混合物またはその複合粉末が挙げられる。   As a constituent material of the fuel electrode 132, a constituent material of a fuel electrode in a known solid oxide fuel cell (SOFC) can be used without particular limitation. For example, a mixture of a metal catalyst and a powder made of a ceramic material having ion conductivity or a composite powder thereof can be used.

金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルト、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定であって水素酸化活性を有する材料が挙げられる。イオン伝導性を有するセラミックス材料としては、蛍石型構造またはペロブスカイト型構造を有するものが挙げられる。蛍石型構造を有するものとしては、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物等が挙げられる。ペロブスカイト型構造を有するものとしては、例えば、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物が挙げられる。上記セラミックス材料は、1種を単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。また、燃料極132は、金属触媒を単体で用いることもできる。燃料極132の厚さは、必ずしも制限されないが、機械的強度および発電特性の観点から、10〜1000μmが好ましい。   Examples of the metal catalyst include materials that are stable in a reducing atmosphere such as nickel, iron, cobalt, and noble metals (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and have hydrogen oxidation activity. Examples of the ceramic material having ion conductivity include those having a fluorite structure or a perovskite structure. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium or gadolinium, zirconia-based oxides containing scandium or yttrium, and the like. Examples of those having a perovskite structure include lanthanum galade oxides doped with strontium and magnesium. The ceramic materials can be used alone or in combination of two or more. In addition, the fuel electrode 132 may be a single metal catalyst. The thickness of the fuel electrode 132 is not necessarily limited, but is preferably 10 to 1000 μm from the viewpoint of mechanical strength and power generation characteristics.

空気極134の構成材料としては、公知の固体酸化物形燃料電池(SOFC)における空気極の構成材料を特に制限なく用いることができる。例えば、ペロブスカイト型構造等を有するコバルト、鉄、ニッケル、クロム、またはマンガン等の金属酸化物を用いることができる。具体的には、(Sm,Sr)CoO、(La,Sr)MnO、(La,Sr)CoO、(La,Sr)(Fe,Co)O、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O等が挙げられる。上記セラミックス材料は、1種を単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。空気極134の厚さは、必ずしも制限されないが、機械的強度および発電特性の観点から、10〜1000μmが好ましい。 As a constituent material of the air electrode 134, a constituent material of the air electrode in a known solid oxide fuel cell (SOFC) can be used without particular limitation. For example, a metal oxide such as cobalt, iron, nickel, chromium, or manganese having a perovskite structure can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co, Ni) O 3 and the like. The ceramic materials can be used alone or in combination of two or more. The thickness of the air electrode 134 is not necessarily limited, but is preferably 10 to 1000 μm from the viewpoint of mechanical strength and power generation characteristics.

電気化学セル13の周囲には、例えば、枠状のセルホルダー14が設けられる。また、電気化学セル13の積層方向の両側には、集電材15を介してセパレータ16が配置される。これらの電気化学セル13、セルホルダー14、1対の集電材15、および1対のセパレータ16からなる部分により1つの積層単位20が構成され、このような積層単位20が複数積層されてセルスタック11が構成される。   For example, a frame-shaped cell holder 14 is provided around the electrochemical cell 13. In addition, separators 16 are disposed on both sides of the electrochemical cell 13 in the stacking direction via current collectors 15. A portion of the electrochemical cell 13, the cell holder 14, the pair of current collectors 15, and the pair of separators 16 constitutes one laminated unit 20, and a plurality of such laminated units 20 are laminated to form a cell stack. 11 is configured.

セルホルダー14は、電気化学セル13の支持等のために設けられる。セルホルダー14の構成材料は、運転時に反応ガスや周辺部材と反応しない安定な材料が好ましく、例えば、金属、ガラス、セラミックス等が好ましい。セルホルダー14の厚みは、電気化学セル13の厚みと略同様が好ましい。   The cell holder 14 is provided for supporting the electrochemical cell 13 and the like. The constituent material of the cell holder 14 is preferably a stable material that does not react with the reaction gas or peripheral members during operation, and for example, metal, glass, ceramics, and the like are preferable. The thickness of the cell holder 14 is preferably substantially the same as the thickness of the electrochemical cell 13.

図示しないが、電気化学セル13とセルホルダー14との間には充填材を設けることが好ましい。電気化学セル13とセルホルダー14との間に充填材を設けることで、電気化学セル13とセルホルダー14との間から反応ガスが漏れ込むクロスリークを抑制できる。充填材としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から800℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。電気化学セル13とセルホルダー14との間への充填材の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。   Although not shown, it is preferable to provide a filler between the electrochemical cell 13 and the cell holder 14. By providing a filler between the electrochemical cell 13 and the cell holder 14, it is possible to suppress a cross leak in which a reaction gas leaks from between the electrochemical cell 13 and the cell holder 14. As the filler, glass is preferable, and from the viewpoint of long-term durability, high melting point crystallized glass that is solid at 800 ° C. or lower is preferable. Examples of the filler include those containing such glass and at least one inorganic powder selected from ceramics and glass that does not react with the glass and peripheral members at the operating temperature and does not melt or soften. Formation of the filler between the electrochemical cell 13 and the cell holder 14 is performed, for example, by applying a paste containing the above components and setting the operating temperature or a temperature exceeding the operating temperature.

集電材15は、電気化学セル13とセパレータ16との間に配置される。燃料極132と燃料極側のセパレータ16との間に配置される集電材15は、例えば、ニッケル、銀、または白金等の金属により構成される多孔質体が好ましい。また、空気極134と空気極側のセパレータ16との間に配置される集電材15は、例えば、耐酸化表面処理を施したニッケルやステンレス等の一般的な金属、または、金、銀、または白金等の耐酸化性を有する金属により構成される多孔質体が好ましい。   The current collector 15 is disposed between the electrochemical cell 13 and the separator 16. The current collector 15 disposed between the fuel electrode 132 and the separator 16 on the fuel electrode side is preferably a porous body made of a metal such as nickel, silver, or platinum. The current collector 15 disposed between the air electrode 134 and the separator 16 on the air electrode side is, for example, a general metal such as nickel or stainless steel subjected to an oxidation-resistant surface treatment, or gold, silver, or A porous body composed of a metal having oxidation resistance such as platinum is preferred.

セパレータ16は、電気化学セル13の両側に配置される。すなわち、電気化学セル13は、セパレータ16を介して他の電気化学セル13または平板状熱交換器12に積層される。セパレータ16の電気化学セル13との対向面には、ガス供給溝161が設けられる。ガス供給溝161は、例えば、複数が直線状に設けられる。反応ガスは、このようなガス供給溝161を通して電気化学セル13に供給される。   The separator 16 is disposed on both sides of the electrochemical cell 13. That is, the electrochemical cell 13 is stacked on another electrochemical cell 13 or the flat plate heat exchanger 12 via the separator 16. A gas supply groove 161 is provided on the surface of the separator 16 facing the electrochemical cell 13. For example, a plurality of gas supply grooves 161 are linearly provided. The reaction gas is supplied to the electrochemical cell 13 through such a gas supply groove 161.

また、ガス供給溝161間の頂部が集電材15を介して電気化学セル13に密着して電気的に接続され、電気化学セル13への電力の供給、または電気化学セル13からの電力の取り出しが行われる。セパレータ16の構成材料は、導電性を有し、運転時に反応ガスや周辺部材と反応しない安定な材料が好ましい。なお、セパレータ16としては、図示しないが、電気化学セル13への反応ガスの供給、および電気化学セル13からの反応ガスの排出を行うガスマニホールドを有するものであってもよい。   Further, the top portion between the gas supply grooves 161 is in close contact with and electrically connected to the electrochemical cell 13 via the current collector 15, and the power supply to the electrochemical cell 13 or the power extraction from the electrochemical cell 13 is performed. Is done. The constituent material of the separator 16 is preferably a stable material that has conductivity and does not react with the reaction gas or peripheral members during operation. Although not shown, the separator 16 may have a gas manifold that supplies a reactive gas to the electrochemical cell 13 and discharges the reactive gas from the electrochemical cell 13.

電気化学セル13、集電材15、およびセパレータ16の相互の密着は、図示しないが、例えば、これらの部材の周囲にこれらを積層方向に貫通するような複数の孔部を設けるとともに、これらの孔部にボルトを挿入して積層方向に締め付けることで行われる。この際、上記したようにセパレータ16がガスマニホールドを有する場合、この孔部とガスマニホールドとを一体化してもよい。   Although the electrochemical cell 13, the current collector 15 and the separator 16 are not shown in close contact with each other, for example, a plurality of holes are provided around these members so as to penetrate them in the stacking direction. This is done by inserting bolts into the parts and tightening in the stacking direction. At this time, when the separator 16 has a gas manifold as described above, the hole and the gas manifold may be integrated.

セルホルダー14とセパレータ16との間には、気密性を確保するために層間シール材17を設けることが好ましい。層間シール材17は、セルホルダー14とセパレータ16との間において周方向の全体に設けることが好ましい。層間シール材17としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から800℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。セルホルダー14とセパレータ16との間への層間シール材1の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。   An interlayer sealing material 17 is preferably provided between the cell holder 14 and the separator 16 in order to ensure airtightness. The interlayer sealing material 17 is preferably provided on the entire circumferential direction between the cell holder 14 and the separator 16. As the interlayer sealing material 17, glass is preferable, and high melting point crystallized glass that is solid at 800 ° C. or lower is particularly preferable from the viewpoint of long-term durability. Examples of the filler include those containing such glass and at least one inorganic powder selected from ceramics and glass that does not react with the glass and peripheral members at the operating temperature and does not melt or soften. Formation of the interlayer sealing material 1 between the cell holder 14 and the separator 16 is performed, for example, by applying a paste containing the above-mentioned components to an operating temperature or a temperature exceeding this.

なお、図示しないが、層間シール材17による接着を確実にするために、セルホルダー14またはセパレータ16における層間シール材17が設けられる位置に、層間シール材17を溜めるためのシール材用溝を設けることが好ましい。また、セパレータ16は、層間シール材17との接触面を平滑にして密着性および気密性を向上させる観点から、層間シール材17が配置されるガス供給溝161を少なくとも覆うような溝カバー162を有することが好ましい。   Although not shown, a groove for sealing material for storing the interlayer sealing material 17 is provided at a position where the interlayer sealing material 17 is provided in the cell holder 14 or the separator 16 in order to ensure adhesion by the interlayer sealing material 17. It is preferable. Further, the separator 16 has a groove cover 162 that covers at least the gas supply groove 161 in which the interlayer seal material 17 is disposed from the viewpoint of improving the adhesion and airtightness by smoothing the contact surface with the interlayer seal material 17. It is preferable to have.

層間シール材17の幅は、セルホルダー14とセパレータ16との間の気密性を確保できれば必ずしも制限されないが、セルホルダー14の幅と同程度が好ましい。シール材17の幅をセルホルダー14の幅と同程度とすることで、良好な気密性を得ることができる。   The width of the interlayer sealing material 17 is not necessarily limited as long as the airtightness between the cell holder 14 and the separator 16 can be secured, but is preferably about the same as the width of the cell holder 14. By setting the width of the sealing material 17 to be approximately the same as the width of the cell holder 14, good airtightness can be obtained.

なお、電解質膜133の大きさに比べて空気極134の大きさが小さい場合、空気極134の周囲には一定の幅で電解質膜133が露出する。すなわち、空気極134の周囲には、反応に関与しない稠密層が露出する。この場合、電解質膜133に対して空気極134側となるシール材17の幅(w)については、セルホルダー14の幅(w)以上で、セルホルダー14の幅(w)と稠密層の幅(w)とを足し合わせた幅以下(w≦w≦w+w)とすることで、さらに気密性が良好となる。 When the size of the air electrode 134 is smaller than the size of the electrolyte membrane 133, the electrolyte membrane 133 is exposed around the air electrode 134 with a certain width. That is, a dense layer that does not participate in the reaction is exposed around the air electrode 134. In this case, the width (w 1 ) of the sealing material 17 on the air electrode 134 side with respect to the electrolyte membrane 133 is equal to or larger than the width (w 2 ) of the cell holder 14 and is dense with the width (w 2 ) of the cell holder 14. Airtightness is further improved by setting the width (w 3 ) or less (w 2 ≦ w 1 ≦ w 2 + w 3 ) of the layer width (w 3 ).

電気化学セル13、セルホルダー14、集電材15、および層間シール材17は、気密性および電気的接触を良好にする観点から、以下の条件を満たすことが好ましい。すなわち、構造体10の運転時の状態で、電気化学セル13(水素極多孔質基材141、水素極142、電解質膜143、および酸素極144)およびその積層方向の両側に配置される1対の集電材15の合計した厚みと、セルホルダー14および1対の層間シール材17の合計した厚みとがほぼ同じであることが好ましい。   The electrochemical cell 13, cell holder 14, current collector 15 and interlayer seal material 17 preferably satisfy the following conditions from the viewpoint of improving airtightness and electrical contact. That is, a pair of electrochemical cells 13 (hydrogen electrode porous substrate 141, hydrogen electrode 142, electrolyte membrane 143, and oxygen electrode 144) and a pair disposed on both sides in the stacking direction in the state of operation of the structure 10. It is preferable that the total thickness of the current collectors 15 and the total thickness of the cell holder 14 and the pair of interlayer seal members 17 are substantially the same.

また、集電材15および層間シール材17から選ばれる少なくとも一方は、構造体10の組立時の締め付け圧力に応じて収縮し、気密性および電気的接触の確保についてある程度のロバスト性を与えることが好ましい。このような集電材15として、例えば、金、銀製のメッシュもしくはフェルト、またはパンチングメタルを適当な厚みとなるように重ねたものが挙げられる。また、集電材15としては、接触抵抗を低減する観点から、運転時に膨張または伸張する材料からなるものが好ましい。このような材料としては、例えば、電極と同様の金属または耐酸化性を有する金属(例えば、金、銀等)のペーストと、発泡性材料(シラスバルーン、パーライト、フライアッシュ等)とを混合したものが挙げられる。発泡性を有する物質の混合割合は、材料全体中、1〜20質量%が好ましく、5〜10質量%がより好ましい。   Further, it is preferable that at least one selected from the current collector 15 and the interlayer seal material 17 is contracted according to the tightening pressure at the time of assembling the structure 10 to provide a certain degree of robustness with respect to ensuring airtightness and electrical contact. . Examples of such a current collector 15 include gold, silver mesh or felt, or a material obtained by stacking punching metal so as to have an appropriate thickness. The current collector 15 is preferably made of a material that expands or stretches during operation from the viewpoint of reducing contact resistance. As such a material, for example, a paste of a metal similar to an electrode or a metal having oxidation resistance (for example, gold, silver, etc.) and a foamable material (shirasu balloon, pearlite, fly ash, etc.) are mixed. Things. 1-20 mass% is preferable in the whole material, and, as for the mixing ratio of the substance which has foamability, 5-10 mass% is more preferable.

図6に示すように、電気化学セル13とセルホルダー14との間には、電気化学セル13の端部の上下面および側面の3面を覆う端部カバー18を設けることができる。この端部カバー18の端部の平滑性や厚みの均一性を電気化学セル13よりも厳密に調整することで、電気化学セル13の端部の平滑性や厚みの影響を抑制して、より高いロバスト性を与えることができる。端部カバー18の構成材料は、セルホルダー14の構成材料と同様、運転時に反応ガスや周辺部材と反応しない安定な材料が好ましく、例えば、金属、ガラス、セラミックス等が好ましい。   As shown in FIG. 6, an end cover 18 that covers the upper and lower surfaces and the three sides of the end of the electrochemical cell 13 can be provided between the electrochemical cell 13 and the cell holder 14. By adjusting the smoothness and thickness uniformity of the end portion of the end cover 18 more strictly than the electrochemical cell 13, the influence of the smoothness and thickness of the end portion of the electrochemical cell 13 can be suppressed, and more High robustness can be given. The constituent material of the end cover 18 is preferably a stable material that does not react with the reaction gas or the peripheral member during operation, like the constituent material of the cell holder 14, and for example, metal, glass, ceramics and the like are preferable.

電気化学セル13と端部カバー18との間には、充填材19を設けることが好ましい。これらの間に充填材21を設けることで、クロスリークを抑制できる。また、図示しないが、セルホルダー14と端部カバー18との間には充填材を設けることが好ましい。セルホルダー14と端部カバー18との間に充填材を設けることで、クロスリークをさらに抑制できる。   A filler 19 is preferably provided between the electrochemical cell 13 and the end cover 18. By providing the filler 21 between them, cross leak can be suppressed. Although not shown, it is preferable to provide a filler between the cell holder 14 and the end cover 18. By providing a filler between the cell holder 14 and the end cover 18, cross leak can be further suppressed.

電気化学セル13と端部カバー18との間に設けられる充填材19、セルホルダー14と端部カバー18との間に設けられる充填材としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から800℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。電気化学セル13と端部カバー18との間、セルホルダー14と端部カバー18との間への充填材の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。   The filler 19 provided between the electrochemical cell 13 and the end cover 18 and the filler provided between the cell holder 14 and the end cover 18 are preferably glass, and particularly 800 from the viewpoint of long-term durability. High melting point crystallized glass that is solid at a temperature of ℃ or lower is preferred. Examples of the filler include those containing such glass and at least one inorganic powder selected from ceramics and glass that does not react with the glass and peripheral members at the operating temperature and does not melt or soften. The filler is formed between the electrochemical cell 13 and the end cover 18 and between the cell holder 14 and the end cover 18, for example, by applying a paste containing the above components and operating temperature or a temperature exceeding this. This is done.

平板状熱交換器12は、セルスタック11との限られた接触面において効率的に熱交換して構造体10を小型化する観点から、窒素ガス等の熱輸送媒体との伝熱面積が大きい構造を有することが好ましい。平板状熱交換器12としては、例えば、図7に示すような熱輸送媒体のための管状の流路121を内部に有するものが好ましい。流路121の断面形状は、熱交換できれば必ずしも制限されず、円形状、四角形状等とできる。また、流路121の平面形状は、熱交換できれば必ずしも制限されず、直線状、蛇行状等とでき、その本数や配置についても適宜決定できる。このような流路121は、微細な加工が容易なことから、ステンレス等の金属材料にエッチング等の電気化学的方法により形成したものが好ましい。   The flat plate heat exchanger 12 has a large heat transfer area with a heat transport medium such as nitrogen gas from the viewpoint of efficiently exchanging heat at a limited contact surface with the cell stack 11 to reduce the size of the structure 10. It preferably has a structure. As the flat plate heat exchanger 12, for example, one having a tubular flow path 121 for a heat transport medium as shown in FIG. 7 is preferable. The cross-sectional shape of the channel 121 is not necessarily limited as long as heat exchange can be performed, and may be a circular shape, a quadrangular shape, or the like. Moreover, the planar shape of the flow path 121 is not necessarily limited as long as heat exchange can be performed, and can be linear, meandering, or the like, and the number and arrangement thereof can be determined as appropriate. Such a flow path 121 is preferably formed of a metal material such as stainless steel by an electrochemical method such as etching because fine processing is easy.

セルスタック11と平板状熱交換器12とは、直接積層されてもよいし、図8に示すように金属ガスケット等の金属箔21を介して積層されてもよい。金属箔21を介して積層することで、金属箔21の塑性変形により両者間の熱抵抗を低減できるとともに、変形許容性を向上させてセルスタック11の気密性の低下に繋がる応力を緩和できる。金属箔21の構成材料は、ステンレス等が好ましいものとして挙げられる。また、金属箔21の厚みは、0.05〜0.1mmが好ましい。   The cell stack 11 and the flat plate heat exchanger 12 may be directly laminated, or may be laminated via a metal foil 21 such as a metal gasket as shown in FIG. By laminating via the metal foil 21, the thermal resistance between the two can be reduced by plastic deformation of the metal foil 21, and the deformation tolerance can be improved to reduce the stress that leads to a decrease in the airtightness of the cell stack 11. The constituent material of the metal foil 21 is preferably stainless steel or the like. The thickness of the metal foil 21 is preferably 0.05 to 0.1 mm.

図9に示すように、それぞれのセルスタック11の側面部には、セルスタック11毎に側面部を覆うように側面部シール材22を設けることが好ましい。側面部シール材22を設けることで、さらに気密性を良好にできる。また、セルスタック11毎に側面部シール材22を設けることで、例えば、構造体10の全てのセルスタック11の側面部に連続して設ける場合に比べて、連続する領域を小さくして、個々の部品の熱膨張差および位置ずれ等の影響を低減することで、損傷を抑制できる。さらに、構造体10における積層単位20の層数に比べてそれぞれのセルスタック11における積層単位20の層数が少ないことから、セルスタック11毎に側面部シール材22を設けることで、側面部シール材22を設ける作業が容易となる。   As shown in FIG. 9, it is preferable to provide a side surface sealing material 22 on the side surface of each cell stack 11 so as to cover the side surface of each cell stack 11. By providing the side surface sealing material 22, the airtightness can be further improved. Further, by providing the side surface sealing material 22 for each cell stack 11, for example, compared to the case where the cell stack 11 is continuously provided on the side surfaces of all the cell stacks 11, the continuous region is made smaller. Damage can be suppressed by reducing the influence of differences in thermal expansion and misalignment of the parts. Furthermore, since the number of layers of the stack unit 20 in each cell stack 11 is smaller than the number of layers of the stack unit 20 in the structure 10, the side surface seal 22 is provided for each cell stack 11, thereby The operation of providing the material 22 becomes easy.

側面部シール材22は、それぞれのセルスタック11について、そこに含まれる全ての積層単位20の側面部を覆うように設けることが好ましい。例えば、1対のセパレータ16間にセルホルダー14に囲まれるようにして電気化学セル13が配置された積層単位20の場合、1対のセパレータ16の側面部とセルホルダー14の側面部とに跨るように側面部シール材22を設けることが好ましく、さらに同一のセルスタック11における隣接する他の積層単位20の側面部に跨るように設けることが好ましい。   The side surface sealing material 22 is preferably provided so as to cover the side surface portions of all the stacked units 20 included in each cell stack 11. For example, in the case of the stacked unit 20 in which the electrochemical cell 13 is disposed so as to be surrounded by the cell holder 14 between the pair of separators 16, it straddles the side surface portion of the pair of separators 16 and the side surface portion of the cell holder 14. It is preferable to provide the side surface sealing material 22 as described above, and it is preferable that the side surface sealing material 22 is provided so as to straddle the side surface portions of other adjacent stacked units 20 in the same cell stack 11.

なお、セパレータ16の側面部に反応ガスの供給または排出のための孔部等が設けられる場合、この孔部等を除くように側面部シール材22を設ける。また、側面部シール材22の形成範囲は、必ずしもセルスタック11の側面部だけに限定されず、隣接する平板状熱交換器12の側面部の一部に形成されていてもよい。   In addition, when the hole for the supply or discharge | emission of reaction gas etc. is provided in the side part of the separator 16, the side part sealing material 22 is provided so that this hole etc. may be removed. Moreover, the formation range of the side part sealing material 22 is not necessarily limited only to the side part of the cell stack 11, and may be formed in a part of side part of the adjacent flat plate heat exchanger 12.

側面部シール材22としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から800℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。側面部への側面部シール材22の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。   As the side part sealing material 22, glass is preferable, and high melting point crystallized glass that is solid at 800 ° C. or lower is particularly preferable from the viewpoint of long-term durability. Examples of the filler include those containing such glass and at least one inorganic powder selected from ceramics and glass that does not react with the glass and peripheral members at the operating temperature and does not melt or soften. Formation of the side part sealing material 22 to a side part is performed by apply | coating the paste containing the said component and setting it as operating temperature or the temperature beyond this, for example.

以上、構造体10について説明したが、構造体10は、層間シール材17の代わりに、または層間シール材17とともに、無機系ガスケットを用いるものでもよい。無機系ガスケットとしては、例えば、層間シール材17と略同様の枠状形状を有するものが挙げられる。無機系ガスケットとしては、例えば、バーミキュライト等を含有しシート状に成形された材料が挙げられる。   Although the structure 10 has been described above, the structure 10 may use an inorganic gasket instead of the interlayer sealing material 17 or together with the interlayer sealing material 17. Examples of the inorganic gasket include those having a frame shape substantially similar to that of the interlayer sealing material 17. Examples of the inorganic gasket include a material containing vermiculite and the like and formed into a sheet shape.

層間シール材17の代わりに無機系ガスケットを用いる場合、層間シール材17の代わりにセルホルダー14とセパレータ16との間に配置する。また、層間シール材17とともに無機系ガスケットを用いる場合、層間シール材17とセパレータ16との間に無機系ガスケットを配置する。無機系ガスケットを用いた場合、構造体10(積層単位20)の組立後の解体が容易となる。特に、層間シール材17と無機系ガスケットとを併用することで、構造体10(積層単位20)の組立後の解体が容易となるとともに、気密性および電気絶縁性が向上する。   When an inorganic gasket is used instead of the interlayer sealing material 17, it is disposed between the cell holder 14 and the separator 16 instead of the interlayer sealing material 17. Further, when an inorganic gasket is used together with the interlayer sealing material 17, the inorganic gasket is disposed between the interlayer sealing material 17 and the separator 16. When an inorganic gasket is used, disassembly of the structure 10 (lamination unit 20) after assembly is facilitated. In particular, the combined use of the interlayer sealing material 17 and the inorganic gasket facilitates disassembly of the structure 10 (lamination unit 20) after assembly, and improves airtightness and electrical insulation.

構造体10は、必要に応じて外部マニホールド等を装着し、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)および固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolysis Cell)から選ばれる少なくとも一方として機能する電気化学装置として好適に用いられる。例えば、電気化学装置は、SOFCまたはSOECとしてのみ機能するものでもよいし、ある時はSOFCとして機能し、別な時はSOECとして機能するものでもよい。また、電気化学装置は、全てのセルスタック11が同時にSOFCまたはSOECとして機能するものでもよいし、一部のセルスタック11がSOFCとして機能すると同時に、他のセルスタック11がSOECとして機能するものでもよい。   The structure 10 is equipped with an external manifold or the like as necessary, and is at least one selected from a solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide electrolysis cell (SOEC). It is suitably used as an electrochemical device that functions as For example, the electrochemical device may function only as SOFC or SOEC, or may function as SOFC in some cases and function as SOEC in other times. In addition, the electrochemical device may be one in which all the cell stacks 11 function simultaneously as SOFC or SOEC, or a part of the cell stacks 11 function as SOFC and at the same time other cell stacks 11 function as SOEC. Good.

電気化学装置としては、水素製造システムに用いられるものが好ましく、水素電力貯蔵システムに用いられるものがより好ましい。水素電力貯蔵システムは、例えば、太陽光や風力発電等の出力変動が大きい再生可能エネルギーを使って水の電気分解により水素を製造して貯蔵しておき、必要時に水素を燃料として燃料電池発電を行う。水素電力貯蔵システムでは、例えば、電気化学装置をSOECとして機能させて水の電気分解により水素を製造し、また電気化学装置をSOFCとして機能させて水素を用いて燃料電池発電を行う。また、水素電力貯蔵システムでは、水素製造が吸熱反応となり、発電反応が発熱反応となる。従って、SOECとして機能する電気化学装置に熱を供給し、SOFCとして機能する電気化学装置から熱を取り出すことで、水素電力貯蔵システムを高効率化できる。このような電気化学装置に構造体10を適用することで、水素電力貯蔵システムをより高効率化できる。水素製造システムにおいても、吸熱反応の熱を効果的に供給することで、より高効率化できる。   As an electrochemical apparatus, what is used for a hydrogen production system is preferable, and what is used for a hydrogen power storage system is more preferable. Hydrogen power storage systems, for example, produce and store hydrogen by electrolysis of water using renewable energy with large output fluctuations such as solar power and wind power generation, and generate fuel cell power generation using hydrogen as fuel when necessary. Do. In the hydrogen power storage system, for example, the electrochemical device functions as SOEC to produce hydrogen by electrolysis of water, and the electrochemical device functions as SOFC to generate fuel cell power using hydrogen. In the hydrogen power storage system, hydrogen production becomes an endothermic reaction, and the power generation reaction becomes an exothermic reaction. Therefore, the hydrogen power storage system can be made highly efficient by supplying heat to the electrochemical device functioning as the SOEC and extracting the heat from the electrochemical device functioning as the SOFC. By applying the structure 10 to such an electrochemical device, the hydrogen power storage system can be made more efficient. Even in the hydrogen production system, it is possible to increase the efficiency by effectively supplying the heat of the endothermic reaction.

図10は、水素電力貯蔵システムの一例を示す構成図である。
水素電力貯蔵システム30は、電気化学装置31、水素貯蔵タンク32、およびこれらを接続する配管33、34を有する。
FIG. 10 is a configuration diagram illustrating an example of a hydrogen power storage system.
The hydrogen power storage system 30 includes an electrochemical device 31, a hydrogen storage tank 32, and pipes 33 and 34 connecting them.

電気化学装置31は、構造体10を有する。なお、この電気化学装置31は、SOFCおよびSOECの両機能を有する。すなわち、電気化学装置31は、発電モードと電解モードの運転ができる電力/水素変換装置である。   The electrochemical device 31 has the structure 10. The electrochemical device 31 has both SOFC and SOEC functions. That is, the electrochemical device 31 is a power / hydrogen conversion device that can operate in a power generation mode and an electrolysis mode.

水素貯蔵タンク32は、電気化学装置31によって製造された水素を貯蔵するとともに、必要に応じて電気化学装置31の燃料電池発電に水素を供給する。電気化学装置31から水素貯蔵タンク32への水素の輸送は配管33を通して行われる。また、水素貯蔵タンク32から電気化学装置31への水素の輸送は配管34を通して行われる。   The hydrogen storage tank 32 stores hydrogen produced by the electrochemical device 31 and supplies hydrogen to the fuel cell power generation of the electrochemical device 31 as necessary. Hydrogen is transported from the electrochemical device 31 to the hydrogen storage tank 32 through a pipe 33. Further, hydrogen is transported from the hydrogen storage tank 32 to the electrochemical device 31 through a pipe 34.

水素電力貯蔵システム30では、例えば、太陽光や風力発電等の出力変動が大きい再生可能エネルギーを使って電気化学装置31によって水の電気分解により水素を製造する。この際、電気化学装置31の平板状熱交換器12を通して熱を供給することで、水素の製造効率を向上させることができる。一方、燃料電池発電時には、電気化学装置31の平板状熱交換器12を通して熱を取り出し、他の装置等において蓄熱しておくか、または熱を有効利用できる。   In the hydrogen power storage system 30, for example, hydrogen is produced by electrolysis of water by an electrochemical device 31 using renewable energy having a large output fluctuation such as sunlight or wind power generation. At this time, the production efficiency of hydrogen can be improved by supplying heat through the flat plate heat exchanger 12 of the electrochemical device 31. On the other hand, at the time of fuel cell power generation, heat is taken out through the flat plate heat exchanger 12 of the electrochemical device 31 and stored in another device or the like, or the heat can be used effectively.

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、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。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…固体酸化物形電気化学セルスタック構造体、11…セルスタック、12…平板状熱交換器、13…平板状固体酸化物形電気化学セル、14…セルホルダー、15…集電材、16…セパレータ、17…層間シール材、18…端部カバー、20…積層単位、21…金属箔、22…側面部シール材、30…水素電力貯蔵システム、31…電気化学装置、32…水素貯蔵タンク、33,34…配管、121…流路、131…水素極多孔質基材、132…燃料極、133…電解質膜、134…空気極   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Solid oxide type electrochemical cell stack structure, 11 ... Cell stack, 12 ... Flat plate heat exchanger, 13 ... Flat plate solid oxide type electrochemical cell, 14 ... Cell holder, 15 ... Current collector, 16 ... Separator, 17 ... interlayer seal, 18 ... end cover, 20 ... lamination unit, 21 ... metal foil, 22 ... side seal, 30 ... hydrogen power storage system, 31 ... electrochemical device, 32 ... hydrogen storage tank, 33, 34 ... piping, 121 ... flow path, 131 ... hydrogen electrode porous substrate, 132 ... fuel electrode, 133 ... electrolyte membrane, 134 ... air electrode

Claims (10)

複数の平板状固体酸化物形電気化学セルが積層された複数のセルスタックと、
前記セルスタック間に配置された平板状熱交換器と
を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
A plurality of cell stacks in which a plurality of planar solid oxide electrochemical cells are stacked;
A solid oxide electrochemical cell stack structure comprising: a flat plate heat exchanger disposed between the cell stacks.
請求項1記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記セルスタックを3個以上有し、それぞれのセルスタック間に前記平板状熱交換器が配置されている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to claim 1,
A solid oxide electrochemical cell stack structure in which three or more cell stacks are provided and the flat plate heat exchanger is disposed between the cell stacks.
請求項1または2記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記セルスタックは、前記平板状固体酸化物形電気化学セルを20個以下有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to claim 1 or 2,
The cell stack is a solid oxide electrochemical cell stack structure having 20 or less flat plate solid oxide electrochemical cells.
請求項1乃至3のいずれか1項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記セルスタックは、互いに独立して側面部がガラスを含む側面部シール材により覆われている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to any one of claims 1 to 3,
The cell stack is a solid oxide electrochemical cell stack structure in which a side surface portion is covered with a side surface sealing material containing glass independently of each other.
請求項4記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記ガラスは、800℃以下で固体の高融点結晶化ガラスである固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to claim 4,
The glass is a solid oxide electrochemical cell stack structure which is a high melting point crystallized glass which is solid at 800 ° C. or lower.
請求項1乃至5のいずれか1項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記平板状熱交換器と前記セルスタックとが直接積層されている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to any one of claims 1 to 5,
A solid oxide electrochemical cell stack structure in which the plate heat exchanger and the cell stack are directly laminated.
請求項1乃至5のいずれか1項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記平板状熱交換器と前記セルスタックとが金属箔を介して積層されている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to any one of claims 1 to 5,
A solid oxide electrochemical cell stack structure in which the flat plate heat exchanger and the cell stack are laminated via a metal foil.
請求項7記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記金属箔は、ステンレスからなる固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to claim 7,
The metal foil is a solid oxide electrochemical cell stack structure made of stainless steel.
請求項1乃至8のいずれか1項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記平板状熱交換器は、内部に電気化学的方法により形成された熱輸送媒体の流路を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
The solid oxide electrochemical cell stack structure according to any one of claims 1 to 8,
The flat plate heat exchanger is a solid oxide electrochemical cell stack structure having a heat transport medium channel formed therein by an electrochemical method.
請求項1乃至9のいずれか1項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体が固体酸化物形燃料電池(SOFC)および固体酸化物形電解セル(SOEC)から選ばれる少なくとも一方として機能する水素電力貯蔵システム。   The solid oxide electrochemical cell stack structure according to any one of claims 1 to 9 functions as at least one selected from a solid oxide fuel cell (SOFC) and a solid oxide electrolytic cell (SOEC). Hydrogen power storage system.
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