[go: up one dir, main page]

WO2024247989A1 - 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2024247989A1
WO2024247989A1 PCT/JP2024/019504 JP2024019504W WO2024247989A1 WO 2024247989 A1 WO2024247989 A1 WO 2024247989A1 JP 2024019504 W JP2024019504 W JP 2024019504W WO 2024247989 A1 WO2024247989 A1 WO 2024247989A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode layer
electrochemical cell
solid electrolyte
cell
module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/019504
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
真 兒井
一成 宮▲崎▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Publication of WO2024247989A1 publication Critical patent/WO2024247989A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042—Electrodes formed of a single material
    • C25B11/047—Ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/05—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks

Definitions

  • This disclosure relates to electrochemical cells, electrochemical cell devices, modules, and module housing devices.
  • a fuel cell is a type of electrochemical cell that can generate electricity using a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air.
  • An electrochemical cell includes a first electrode layer, a second electrode layer, and a solid electrolyte layer.
  • the solid electrolyte layer is located between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the solid electrolyte layer includes a first element.
  • the first electrode layer includes a second element whose valence is less likely to fluctuate than the first element.
  • the electrochemical cell device disclosed herein also has a cell stack including the electrochemical cell described above.
  • the module of the present disclosure also includes the electrochemical cell device described above and a storage container for storing the electrochemical cell device.
  • the module housing device of the present disclosure also includes the module described above, an auxiliary device for operating the module, and an exterior case that houses the module and the auxiliary device.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an example of an electrochemical cell according to a first embodiment.
  • FIG. 1B is a side view of an example of the electrochemical cell according to the first embodiment, as viewed from the air electrode side.
  • FIG. 1C is a side view of an example of an electrochemical cell according to the first embodiment, as viewed from the interconnector side.
  • FIG. 2A is a perspective view showing an example of an electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a top view illustrating an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view of a region R1 shown in FIG.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing another example of the region R1 shown in FIG. 1A.
  • FIG. 4 is an external perspective view illustrating an example of a module according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating an example of a module housing device according to the first embodiment.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell included in the electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of region R2 shown in FIG. 6B.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating an example of an electrochemical cell according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating an example of an electrochemical cell according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the electrochemical cell shown in FIG.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a region R3 shown in FIG.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view illustrating an example of an electrochemical cell according to a fourth embodiment.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view showing another example of the electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11C is a cross-sectional view showing another example of the electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of a region R4 shown in FIG. 11A.
  • the electrochemical cell device may include a cell stack having a plurality of electrochemical cells.
  • An electrochemical cell device having a plurality of electrochemical cells will be simply referred to as a cell stack device.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a side view of an example of an electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the air electrode side.
  • FIG. 1C is a side view of an example of an electrochemical cell according to the first embodiment, viewed from the interconnector side. Note that FIGS. 1A to 1C show enlarged views of a portion of each component of the electrochemical cell.
  • the electrochemical cell may also be simply referred to as a cell.
  • cell 1 is a hollow flat plate-like elongated plate.
  • the shape of cell 1 as a whole viewed from the side may be, for example, a rectangle with a side length in the length direction L of 5 cm to 50 cm and a length in the width direction W perpendicular to this length direction L of 1 cm to 10 cm.
  • the overall thickness of cell 1 in the thickness direction T may be, for example, 1 mm to 5 mm.
  • the cell 1 includes a conductive support substrate 2, an element section 3, and an interconnector 4.
  • the support substrate 2 is columnar, having a pair of opposing first and second surfaces n1 and n2, and a pair of arc-shaped side surfaces m connecting the first and second surfaces n1 and n2.
  • the element section 3 is provided on the first surface n1 of the support substrate 2.
  • the element section 3 has a fuel electrode layer 5, a solid electrolyte layer 6, and an air electrode layer 8.
  • the interconnector 4 is located on the second surface n2 of the cell 1.
  • the cell 1 may also have an intermediate layer 7 between the solid electrolyte layer 6 and the air electrode layer 8.
  • the air electrode layer 8 does not extend to the lower end of the cell 1.
  • the air electrode layer 8 does not extend to the lower end of the cell 1.
  • the interconnector 4 may extend to the lower end of the cell 1.
  • the interconnector 4 and the solid electrolyte layer 6 are exposed on the surface.
  • the solid electrolyte layer 6 is exposed on the surface of a pair of arc-shaped side faces m of the cell 1. The interconnector 4 does not have to extend to the lower end of the cell 1.
  • the support substrate 2 has gas flow paths 2a therein through which gas flows.
  • the example of the support substrate 2 shown in FIG. 1A has six gas flow paths 2a.
  • the support substrate 2 has gas permeability, and allows the fuel gas flowing through the gas flow paths 2a to pass through to the fuel electrode layer 5.
  • the support substrate 2 may be conductive.
  • the conductive support substrate 2 collects electricity generated in the element section 3 to the interconnector 4.
  • the material of the support substrate 2 includes, for example, an iron group metal component and an inorganic oxide.
  • the iron group metal component may be, for example, Ni (nickel) and/or NiO.
  • the inorganic oxide may be, for example, a specific rare earth element oxide.
  • the rare earth element oxide may include, for example, one or more rare earth elements selected from Sc, Y, La, Nd, Sm, Gd, Dy, and Yb.
  • the fuel electrode layer 5 may be made of a porous conductive ceramic, for example, a ceramic containing an oxide having ion conductivity, such as calcium oxide, magnesium oxide, or ZrO 2 in which a rare earth element oxide is solid-dissolved, and a metal having electronic conductivity, such as Ni.
  • the rare earth element oxide may contain, for example, Y and/or Sc. Calcium oxide, magnesium oxide, or ZrO 2 in which a rare earth element oxide is solid-dissolved may also be called stabilized zirconia.
  • the stabilized zirconia may contain partially stabilized zirconia.
  • the conductive ceramic may be, for example, a ceramic containing an electrolyte material described later and Ni and/or NiO.
  • the fuel electrode layer 5 is an example of a first electrode layer.
  • the open porosity of the fuel electrode layer 5 may be, for example, 15% or more, and particularly in the range of 20% to 40%.
  • the thickness of the fuel electrode layer 5 may be, for example, 1 ⁇ m to 30 ⁇ m. Details of the fuel electrode layer 5 will be described later.
  • the solid electrolyte layer 6 is an electrolyte and transfers ions between the fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 8. At the same time, the solid electrolyte layer 6 has gas barrier properties, making it difficult for leakage of fuel gas and oxygen-containing gas to occur.
  • the solid electrolyte layer 6 has ion conductivity.
  • the solid electrolyte layer 6 may contain, for example, Zr.
  • the material of the solid electrolyte layer 6 may be, for example, ZrO 2 in which 3 mol % to 15 mol % of rare earth element oxide is dissolved.
  • the rare earth element oxide may include, for example, one or more rare earth elements selected from Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Tm, and Yb.
  • the material of the solid electrolyte layer 6 may be, for example, stabilized zirconia containing Yb.
  • the material of the solid electrolyte layer 6 may be, for example, a ceria-based material in which Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Tm, or Yb is dissolved. Details of the solid electrolyte layer 6 will be described later.
  • the air electrode layer 8 has gas permeability.
  • the air electrode layer 8 is an example of a second electrode layer.
  • the open porosity of the air electrode layer 8 may be in the range of, for example, 20% to 50%, particularly 30% to 50%.
  • the material of the air electrode layer 8 may be, for example, a conductive ceramic such as a so-called ABO3 - type perovskite oxide.
  • the material of the air electrode layer 8 may be, for example, a composite oxide in which Sr ( strontium ) and La (lanthanum) coexist at the A site.
  • composite oxides include LaxSr1 -xCoyFe1 -yO3 , LaxSr1 - xMnO3 , LaxSr1 - xFeO3 , and LaxSr1 - xCoO3 , where x is 0 ⁇ x ⁇ 1 and y is 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the intermediate layer 7 functions as a diffusion suppression layer.
  • elements such as Sr (strontium) contained in the air electrode layer 8 diffuse into the solid electrolyte layer 6, a resistive layer such as SrZrO3 is formed in the solid electrolyte layer 6.
  • the intermediate layer 7 makes it difficult for Sr to diffuse, thereby making it difficult for SrZrO3 and other oxides having electrical insulation to be formed.
  • the material of the intermediate layer 7 is not particularly limited as long as it generally prevents diffusion of elements between the air electrode layer 8 and the solid electrolyte layer 6.
  • the material of the intermediate layer 7 may contain, for example, cerium oxide (CeO 2 ) in which a rare earth element other than Ce (cerium) is dissolved.
  • CeO 2 cerium oxide
  • a rare earth element for example, Gd (gadolinium), Sm (samarium), etc. may be used.
  • the interconnector 4 is dense, which makes it difficult for the fuel gas flowing through the gas flow passage 2a located inside the support substrate 2 and the oxygen-containing gas flowing outside the support substrate 2 to leak.
  • the interconnector 4 may have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.
  • the material of the interconnector 4 may be a lanthanum chromite-based perovskite oxide ( LaCrO3 -based oxide), a lanthanum strontium titanium-based perovskite oxide (LaSrTiO3 - based oxide), or the like. These materials are conductive and are not easily reduced or oxidized even when in contact with a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air. In addition, a metal or an alloy may be used as the material of the interconnector 4.
  • FIG. 2A is a perspective view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • Figure 2B is a cross-sectional view taken along line XX shown in Figure 2A.
  • Figure 2C is a top view showing an example of the electrochemical cell device according to the first embodiment.
  • the cell stack device 10 includes a cell stack 11 having a plurality of cells 1 arranged (stacked) in the thickness direction T of the cells 1 (see FIG. 1A), and a fixing member 12.
  • the fixing member 12 has a fixing material 13 and a support member 14.
  • the support member 14 supports the cell 1.
  • the fixing material 13 fixes the cell 1 to the support member 14.
  • the support member 14 also has a support 15 and a gas tank 16.
  • the support member 14, which is made of a metal, has electrical conductivity.
  • the support 15 has insertion holes 15a into which the lower ends of the multiple cells 1 are inserted.
  • the lower ends of the multiple cells 1 and the inner wall of the insertion holes 15a are joined with a fixing material 13.
  • the gas tank 16 has an opening for supplying reactive gas to the multiple cells 1 through the insertion holes 15a, and a groove 16a located around the opening.
  • the outer peripheral edge of the support 15 is joined to the gas tank 16 by a bonding material 21 filled in the groove 16a of the gas tank 16.
  • fuel gas is stored in an internal space 22 (see FIG. 2B) formed by the support body 15, which is the support member 14, and the gas tank 16.
  • a gas circulation pipe 20 is connected to the gas tank 16.
  • the fuel gas is supplied to the gas tank 16 through this gas circulation pipe 20, and is supplied from the gas tank 16 to a gas flow path 2a (see FIG. 1A) inside the cell 1.
  • the fuel gas supplied to the gas tank 16 is generated in a reformer 102 (see FIG. 4), which will be described later.
  • Hydrogen-rich fuel gas can be produced by steam reforming the raw fuel.
  • fuel gas is produced by steam reforming, the fuel gas contains water vapor.
  • the cell stack device 10 includes two rows of cell stacks 11, two supports 15, and a gas tank 16.
  • Each of the two rows of cell stacks 11 includes a plurality of cells 1.
  • Each cell stack 11 is fixed to each of the supports 15.
  • the gas tank 16 has two through holes on its upper surface.
  • a support 15 is disposed in each of the through holes.
  • the internal space 22 is formed by one gas tank 16 and two supports 15.
  • FIG. 2A shows a cell stack device 10 having two rows of cell stacks 11, the cell stack device may have one row of cell stacks 11 or three or more rows of cell stacks 11.
  • the shape of the insertion hole 15a is, for example, an oval shape when viewed from above.
  • the length of the insertion hole 15a in the arrangement direction of the cells 1, i.e., the thickness direction T, may be greater than the distance between the two end current collecting members 17 located at both ends of the cell stack 11.
  • the width of the insertion hole 15a may be greater than the length of the cell 1 in the width direction W (see FIG. 1A).
  • the joint between the inner wall of the insertion hole 15a and the lower end of the cell 1 is filled with a fixing material 13 and solidified. This bonds and fixes the inner wall of the insertion hole 15a to the lower end of each of the multiple cells 1, and also bonds and fixes the lower ends of the cells 1 to each other.
  • the gas flow path 2a of each cell 1 communicates with the internal space 22 of the support member 14 at its lower end.
  • the fixing material 13 and the bonding material 21 may be made of a material with low electrical conductivity, such as glass.
  • Specific materials for the fixing material 13 and the bonding material 21 may include amorphous glass, and in particular, crystallized glass.
  • any of SiO 2 -CaO based, MgO-B 2 O 3 based, La 2 O 3 -B 2 O 3 -MgO based, La 2 O 3 -B 2 O 3 -ZnO based, SiO 2 -CaO-ZnO based materials may be used, and in particular, SiO 2 -MgO based materials may be used.
  • a conductive member 18 is interposed between adjacent cells 1 among the multiple cells 1.
  • the conductive member 18 electrically connects the fuel electrode layer 5 of one adjacent cell 1 to the air electrode layer 8 of the other cell 1 in series. More specifically, the conductive member 18 connects the interconnector 4 electrically connected to the fuel electrode layer 5 of one adjacent cell 1 to the air electrode layer 8 of the other cell 1. Note that when the interconnector 4 is a metal or alloy, the interconnector 4 and the conductive member 18 may be integrated, or the conductive member 18 may also serve as the interconnector 4.
  • an end current collecting member 17 is electrically connected to the cell 1 located on the outermost side in the arrangement direction of the multiple cells 1.
  • the end current collecting member 17 is connected to a conductive part 19 that protrudes to the outside of the cell stack 11.
  • the conductive part 19 collects electricity generated by power generation in the cell 1 and draws it out to the outside. Note that the end current collecting member 17 is not shown in FIG. 2A.
  • the cell stack device 10 has two cell stacks 11A and 11B connected in series and functions as a single battery. Therefore, the conductive parts 19 of the cell stack device 10 are divided into a positive terminal 19A, a negative terminal 19B, and a connection terminal 19C.
  • the positive terminal 19A is the positive electrode when the power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the positive end current collector 17 of the cell stack 11A.
  • the negative terminal 19B is the negative electrode when the power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the negative end current collector 17 of the cell stack 11B.
  • connection terminal 19C electrically connects the end current collecting member 17 on the negative electrode side of the cell stack 11A to the end current collecting member 17 on the positive electrode side of the cell stack 11B.
  • Figure 3A is an enlarged cross-sectional view of a region R1 shown in Figure 1A.
  • the solid electrolyte layer 6 includes a first element 6a.
  • the first element 6a may be, for example, a lanthanide element having an electron in a 4f orbital.
  • the first element 6a may be, for example, one or more elements selected from Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Tm, and Yb.
  • the fuel electrode layer 5 includes a second element 5a.
  • the second element 5a is less susceptible to change in valence than the first element 6a.
  • the second element 5a may be, for example, one or more elements selected from Y, Sc, Mg, and Ca.
  • valence is not likely to change means that the valence is not likely to fluctuate, that is, the valence in a solid is stable at a certain value.
  • the valence of Y and Sc is stable at 3+ in a solid
  • the valence of Mg and Ca is stable at 2+.
  • the fuel electrode layer 5 in a reducing atmosphere is less likely to decrease in ion conductivity compared to when the fuel electrode layer 5 includes the first element 6a.
  • the electrical conductivity of the fuel electrode layer 5 is less likely to decrease, and a cell 1 is obtained in which the power generation performance is less likely to decrease.
  • the solid electrolyte layer 6 also includes an electrolyte material having ion conductivity.
  • the solid electrolyte layer 6 may include a metal oxide containing the first element 6a as an electrolyte material.
  • the first element 6a may be solid-dissolved in the electrolyte material of the solid electrolyte layer 6.
  • the electrolyte material of the solid electrolyte layer 6 may include Zr or Ce.
  • the electrolyte material of the solid electrolyte layer 6 may be an oxide containing Zr or Ce. Lanthanoid elements having electrons in the 4f orbit have a small ionic radius. Oxygen vacancies are likely to occur in electrolyte materials in which such elements with a small ionic radius are solid-dissolved as the first element 6a.
  • Electrolyte materials in which oxygen vacancies are likely to occur tend to exhibit high ionic conductivity.
  • lanthanoid elements having electrons in the 4f orbit are likely to fluctuate in valence.
  • such elements are likely to fluctuate between different valence states in a solid, for example, between 2+ and 3+ valences.
  • Such elements are likely to be reduced in a reducing atmosphere.
  • the fuel electrode layer 5 includes an electrolyte material having ion conductivity.
  • the fuel electrode layer 5 may include a metal oxide containing the second element 5a as an electrolyte material.
  • the second element 5a may be solid-dissolved in the electrolyte material of the fuel electrode layer 5.
  • the electrolyte material of the fuel electrode layer 5 may include Zr.
  • the electrolyte material of the fuel electrode layer 5 may be an oxide containing Zr.
  • the electrolyte material of the fuel electrode layer 5 may be the same as or different from the electrolyte material of the solid electrolyte layer 6.
  • the second element 5a is less likely to be reduced than the first element 6a in a reducing atmosphere. Therefore, the ion conductivity of the electrolyte material in which the second element 5a is solid-dissolved is less likely to decrease even in a reducing atmosphere than the electrolyte material in which the first element 6a is solid-dissolved.
  • the fuel electrode layer 5 may further include catalyst particles 5b containing a metal.
  • the catalyst particles 5b may be, for example, Ni and/or NiO.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing another example of region R1 shown in FIG. 1A.
  • the fuel electrode layer 5 may further contain a first element 6a. This improves the bonding strength between the solid electrolyte layer 6 containing the first element 6a and the fuel electrode layer 5.
  • the solid electrolyte layer 6 may further contain a second element 5a. This improves the bonding strength between the fuel electrode layer 5 containing the second element 5a and the solid electrolyte layer 6.
  • the solid electrolyte layer 6 may have a larger content of the first element 6a than the fuel electrode layer 5. This makes it difficult for the power generation performance to decrease even when the fuel electrode layer 5 contains the first element 6a.
  • the content of the first element 6a is the total content of the plurality of first elements 6a.
  • the content of the first element 6a is the molar ratio (mol%) of the first element 6a converted into oxide to the total of the elements contained in the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6 at a specified portion converted into oxide.
  • the content of the first element 6a in each of the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6 can be confirmed by elemental analysis using, for example, EPMA. Specifically, a cross-sectional image including the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6 is taken. In the region of the taken cross-sectional image, the elements contained in the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6 are analyzed. From the obtained elemental analysis results, the average content (molar ratio) of the first element 6a in each portion can be calculated and compared.
  • the elements contained in the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6 are elements detected from the electrolyte material contained in the specific portions of the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6. In other words, when comparing the content of the first element 6a in each portion, the content of the first element 6a in the remaining elements excluding the catalyst particles 5b contained in the fuel electrode layer 5 can be compared.
  • the solid electrolyte layer 6 may contain the second element 5a in the vicinity of the surface 61 (first surface) facing the fuel electrode layer 5. This improves the bonding strength between the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6.
  • "in the vicinity of surface 61" refers to a portion closer to surface 61 than surface 62 when surface 61 of the solid electrolyte layer 6 facing the fuel electrode layer 5 and surface 62 of the solid electrolyte layer 6 located on the opposite side to surface 61 are defined.
  • the fuel electrode layer 5 may contain the first element 6a in the vicinity of the surface 51 (second surface) facing the solid electrolyte layer 6. This improves the bonding strength between the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6.
  • “in the vicinity of surface 51” refers to a portion closer to surface 51 than surface 52 when surface 51 of the fuel electrode layer 5 facing the solid electrolyte layer 6 and surface 52 of the fuel electrode layer 5 located on the opposite side to surface 51 are defined.
  • the fuel electrode layer 5 may contain the first element 6a only in the vicinity of the surface 51 (second surface) facing the solid electrolyte layer 6. Since the conductivity of the fuel electrode layer 5 is less likely to decrease, a cell 1 is obtained whose power generation performance is less likely to decrease, and the bonding strength between the fuel electrode layer 5 and the solid electrolyte layer 6 is improved.
  • Fig. 4 is an external perspective view showing an example of a module according to the first embodiment.
  • Fig. 4 shows a state in which the front and rear surfaces, which are part of the storage container 101, have been removed and the cell stack device 10 of the fuel cell stored inside has been removed to the rear.
  • the module 100 includes a storage container 101 and a cell stack device 10 stored in the storage container 101.
  • a reformer 102 is disposed above the cell stack device 10.
  • the reformer 102 reforms raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas, which is then supplied to the cell 1.
  • the raw fuel is supplied to the reformer 102 through a raw fuel supply pipe 103.
  • the reformer 102 may also include a vaporizer 102a that vaporizes water, and a reformer 102b.
  • the reformer 102b includes a reforming catalyst (not shown) and reforms the raw fuel into fuel gas.
  • Such a reformer 102 can perform steam reforming, which is a highly efficient reforming reaction.
  • the fuel gas generated in the reformer 102 is then supplied to the gas flow path 2a (see Figure 1A) of the cell 1 through the gas flow pipe 20, the gas tank 16, and the support member 14.
  • the temperature inside the module 100 during normal power generation is approximately 500°C to 1000°C due to the combustion of gas and power generation by the cell 1.
  • such a module 100 is configured to house a cell stack device 10 that is less likely to deteriorate in power generation performance, making it possible to create a module 100 that is less likely to deteriorate in power generation performance.
  • Fig. 5 is an exploded perspective view that illustrates an example of a module housing device according to the first embodiment.
  • the module housing device 110 according to this embodiment includes an outer case 111, the module 100 illustrated in Fig. 4, and auxiliary equipment (not illustrated).
  • the auxiliary equipment operates the module 100.
  • the module 100 and the auxiliary equipment are housed in the outer case 111. Note that some components are omitted in Fig. 5.
  • the exterior case 111 of the module accommodating device 110 shown in Figure 5 has support posts 112 and an exterior plate 113.
  • a partition plate 114 divides the interior of the exterior case 111 into upper and lower sections.
  • the space above the partition plate 114 in the exterior case 111 is a module accommodating chamber 115 that accommodates the module 100, and the space below the partition plate 114 in the exterior case 111 is an auxiliary equipment accommodating chamber 116 that accommodates the auxiliary equipment that operates the module 100. Note that in Figure 5, the auxiliary equipment accommodated in the auxiliary equipment accommodating chamber 116 is omitted.
  • the partition plate 114 also has an air flow port 117 for allowing air from the auxiliary equipment housing chamber 116 to flow toward the module housing chamber 115.
  • the exterior plate 113 that constitutes the module housing chamber 115 has an exhaust port 118 for exhausting air from within the module housing chamber 115.
  • a hollow flat support substrate is used, but the present invention can also be applied to a cell stack device that uses a cylindrical support substrate.
  • FIG. 6A Second Embodiment Next, an electrochemical cell and an electrochemical cell device according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 6A to 7.
  • FIG. 6A Second Embodiment
  • a so-called “vertical stripe type” in which only one element part including a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer is provided on the surface of a support substrate is exemplified, but the present invention can also be applied to a horizontal stripe type electrochemical cell device in which so-called “horizontal stripe type” electrochemical cells are arranged in which element parts are provided at multiple locations spaced apart from each other on the surface of a support substrate and adjacent element parts are electrically connected.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell included in the electrochemical cell device according to the second embodiment.
  • multiple cells 1A extend in the length direction L from a pipe 22a through which fuel gas flows.
  • the cells 1A have multiple element parts 3 on a support substrate 2. Inside the support substrate 2, a gas flow path 2a is provided through which the fuel gas flows from the pipe 22a.
  • the cells 1A are also electrically connected to each other via a connection member 31.
  • the connection member 31 is located between the element units 3 of each cell 1A, and connects adjacent cells 1A. Specifically, the connection member 31 electrically connects the air electrode layer 8 of the element unit 3 of one of the adjacent cells 1A to the fuel electrode layer 5 of the element unit 3 of the other cell 1A.
  • the cell 1A includes a support substrate 2, a pair of element portions 3, and a sealing portion 30.
  • the support substrate 2 is columnar, having a pair of opposing flat surfaces, a first surface n1 and a second surface n2, and a pair of arc-shaped side surfaces m connecting the first surface n1 and the second surface n2.
  • the pair of element portions 3 are positioned so as to face each other on the first surface n1 and the second surface n2 of the support substrate 2.
  • the sealing portion 30 is positioned so as to cover the side surface m of the support substrate 2.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of region R2 shown in FIG. 6B.
  • the solid electrolyte layer 6 includes a first element 6a.
  • the fuel electrode layer 5 includes a second element 5a whose valence is less likely to fluctuate than the first element 6a.
  • the fuel electrode layer 5 may further include catalyst particles 5b containing a metal.
  • the fuel electrode layer 5 in a reducing atmosphere is less likely to have a decreased ionic conductivity than when the fuel electrode layer 5 includes the first element 6a.
  • the electrical conductivity of the fuel electrode layer 5 is less likely to decrease, resulting in a cell 1A whose power generation performance is less likely to decrease.
  • Fig. 8 is a perspective view showing an example of an electrochemical cell according to the third embodiment
  • Fig. 9 is a partial cross-sectional view of the electrochemical cell shown in Fig. 8.
  • cell 1B has an element portion 3B in which a fuel electrode layer 5, a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and an air electrode layer 8 are stacked. In element portion 3B, the solid electrolyte layer 6 is sandwiched between the fuel electrode layer 5 and the air electrode layer 8.
  • multiple cells 1B are electrically connected by conductive members 91, 92, which are adjacent metal layers. The conductive members 91, 92 electrically connect adjacent cells 1B to each other, and have a gas flow path that supplies gas to the fuel electrode layer 5 or the air electrode layer 8.
  • cell 1B has a sealing material that hermetically seals the fuel gas flow path and the oxygen-containing gas flow path of the flat cell stack.
  • the sealing material is a fixing member 96 for cell 1B, and has a bonding material 93 and support members 94 and 95 that are frames.
  • the bonding material 93 may be glass or a metal material such as silver solder.
  • the support member 94 may be a so-called separator that separates the fuel gas flow path from the oxygen-containing gas flow path.
  • the material of the support members 94, 95 may be, for example, a conductive metal or an insulating ceramic. Either or both of the support members 94, 95 may be made of an insulating material. If the support member 94 is made of metal, the support member 94 may be integrated with the conductive member 92. If the support member 95 is made of metal, the support member 95 may be integrated with the conductive member 91.
  • One of the support members 94, 95 is insulating, electrically insulating the two conductive members 91, 92 that sandwich the flat cell from each other.
  • FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of region R3 shown in FIG. 9.
  • the solid electrolyte layer 6 contains a first element 6a.
  • the fuel electrode layer 5 contains a second element 5a whose valence is less likely to fluctuate than the first element 6a.
  • the fuel electrode layer 5 may further contain catalyst particles 5b containing a metal.
  • the fuel electrode layer 5 in a reducing atmosphere is less likely to have a decreased ionic conductivity than when the fuel electrode layer 5 includes the first element 6a.
  • the electrical conductivity of the fuel electrode layer 5 is less likely to decrease, resulting in a cell 1B in which the power generation performance is less likely to decrease.
  • Fig. 11A is a cross-sectional view showing an example of an electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • Fig. 11B and Fig. 11C are cross-sectional views showing another example of an electrochemical cell according to the fourth embodiment.
  • Fig. 12 is an enlarged view of a region R4 shown in Fig. 11A.
  • Fig. 12 can also be applied to the examples of Fig. 11B and Fig. 11C.
  • the cell 1C has an element section 3C in which a fuel electrode layer 5, a solid electrolyte layer 6, an intermediate layer 7, and an air electrode layer 8 are laminated, and a support substrate 2.
  • the support substrate 2 has a through hole or a fine hole at a portion in contact with the element section 3C, and has a member 120 located outside the gas flow path 2a.
  • the support substrate 2 can circulate gas between the gas flow path 2a and the element section 3C.
  • the support substrate 2 may be composed of, for example, one or more metal plates.
  • the material of the metal plate may contain chromium.
  • the metal plate may have a conductive coating layer.
  • the support substrate 2 electrically connects adjacent cells 1C to each other.
  • the element section 3C may be formed directly on the support substrate 2, or may be bonded to the support substrate 2 by a bonding material.
  • the side of the fuel electrode layer 5 is covered with a solid electrolyte layer 6, which airtightly seals the gas flow path 2a through which the fuel gas flows.
  • the side of the fuel electrode layer 5 may be covered and sealed with a sealant 9 made of dense glass or ceramic.
  • the sealant 9 that covers the side of the fuel electrode layer 5 may have electrical insulation properties.
  • gas flow path 2a of the support substrate 2 may be formed by a member 120 having projections and recesses as shown in FIG. 11C.
  • FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of region R4 shown in FIG. 11A.
  • the solid electrolyte layer 6 includes a first element 6a.
  • the fuel electrode layer 5 includes a second element 5a whose valence is less likely to fluctuate than the first element 6a.
  • the fuel electrode layer 5 may further include catalyst particles 5b containing a metal.
  • the fuel electrode layer 5 in a reducing atmosphere is less likely to have a decreased ionic conductivity than when the fuel electrode layer 5 includes the first element 6a.
  • the electrical conductivity of the fuel electrode layer 5 is less likely to decrease, resulting in a cell 1C whose power generation performance is less likely to decrease.
  • a fuel cell, a fuel cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device are shown as examples of an “electrochemical cell,” “electrochemical cell device,” “module,” and “module housing device,” but other examples may be an electrolysis cell, an electrolysis cell stack device, an electrolysis module, and an electrolysis device, respectively.
  • the electrolysis cell has a first electrode layer and a second electrode layer, and decomposes water vapor into hydrogen and oxygen, or carbon dioxide into carbon monoxide and oxygen, when supplied with power.
  • an oxide ion conductor or a hydrogen ion conductor is shown as an example of an electrolyte material for an electrochemical cell, but a hydroxide ion conductor may also be used.
  • Such an electrolysis cell, an electrolysis cell stack device, an electrolysis module, and an electrolysis device can improve electrolysis performance.
  • an electrochemical cell includes a first electrode layer; A second electrode layer; a solid electrolyte layer located between the first electrode layer and the second electrode layer, the solid electrolyte layer contains a first element,
  • the first electrode layer includes a second element whose valence is less likely to fluctuate than that of the first element.
  • the first electrode layer contains the first element
  • the solid electrolyte layer may have a larger content of the first element than the first electrode layer.
  • the first electrode layer may further include catalyst particles containing a metal.
  • the first electrode layer and the solid electrolyte layer contain an electrolyte material having ion conductivity; The first element and the second element may be dissolved in the electrolyte material.
  • the electrolyte material may contain Zr or Ce.
  • the first element may be one or more elements selected from Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Tm, and Yb.
  • the second element may be one or more elements selected from Y, Sc, Mg, and Ca.
  • the solid electrolyte layer may contain the second element in the vicinity of a first surface facing the first electrode layer.
  • the first electrode layer may contain the first element in the vicinity of a second surface facing the solid electrolyte layer.
  • the first electrode layer may contain the first element only in the vicinity of the second surface.
  • the electrochemical cell device has a cell stack including any one of the electrochemical cells (1) to (10) above.
  • the module (12) comprises the electrochemical cell device (11) described above, and a container for housing the electrochemical cell device.
  • the module housing device (13) includes the module (12) and Auxiliary equipment for operating the module; and an exterior case that houses the module and the auxiliary equipment.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

電気化学セルは、第１電極層と、第２電極層と、固体電解質層とを備える。固体電解質層は、第１電極層と第２電極層との間に位置する。固体電解質層は、第１元素を含む。第１電極層は、第１元素よりも価数が変動しにくい第２元素を含む。

Description

電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
　本開示は、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
　近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数有する燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる電気化学セルの一種である。
特開２０１８－１５２２００号公報
　実施形態の一態様に係る電気化学セルは、第１電極層と、第２電極層と、固体電解質層とを備える。固体電解質層は、前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置する。前記固体電解質層は、第１元素を含む。前記第１電極層は、前記第１元素よりも価数が変動しにくい第２元素を含む。
　また、本開示の電気化学セル装置は、上記に記載の電気化学セルを含むセルスタックを有する。
　また、本開示のモジュールは、上記に記載の電気化学セル装置と、前記電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。
　また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、前記モジュールの運転を行うための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。
図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。 図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。 図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。 図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。 図３Ａは、図１Ａに示す領域Ｒ１を拡大した断面図である。 図３Ｂは、図１Ａに示す領域Ｒ１の別の例を示す断面図である。 図４は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。 図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。 図６Ａは、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。 図６Ｂは、第２の実施形態に係る電気化学セル装置が有する電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図７は、図６Ｂに示す領域Ｒ２を拡大した断面図である。 図８は、第３の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す斜視図である。 図９は、図８に示す電気化学セルの部分断面図である。 図１０は、図９に示す領域Ｒ３を拡大した断面図である。 図１１Ａは、第４の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。 図１１Ｂは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。 図１１Ｃは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。 図１２は、図１１Ａに示す領域Ｒ４を拡大した断面図である。
　上述の燃料電池セルスタック装置では、発電性能が低下する懸念があった。
　そこで、性能が低下しにくい電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の提供が期待されている。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。
　また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。
［第１の実施形態］
＜電気化学セルの構成＞
　まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルについて、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。
　図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。
　図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍであってもよく、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが、たとえば１ｃｍ～１０ｃｍの長方形であってもよい。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば１ｍｍ～５ｍｍであってもよい。
　図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する第１面ｎ１、第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
　素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１上に設けられている。かかる素子部３は、燃料極層５と、固体電解質層６と、空気極層８とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の第２面ｎ２上にインターコネクタ４が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極層８との間に中間層７を備えていてもよい。
　また、図１Ｂに示すように、空気極層８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが第１面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。
　以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。
　支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａを流れる燃料ガスを燃料極層５まで透過させる。支持基板２は、導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。
　支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでもよい。
　燃料極層５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２などのイオン伝導性を有する酸化物と、Ｎｉなどの電子伝導性を有する金属とを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｙおよび／またはＳｃを含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアを含んでもよい。導電性セラミックスは、たとえば後述する電解質材料と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスであってもよい。燃料極層５は、第１電極層の一例である。
　燃料極層５の開気孔率は、たとえば１５％以上、特に２０％～４０％の範囲であってもよい。燃料極層５の厚みは、たとえば１μｍ～３０μｍとしてもよい。なお、燃料極層５の詳細については、後述する。
　固体電解質層６は、電解質であり、燃料極層５と空気極層８との間でイオンの受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。
　固体電解質層６は、イオン伝導性を有する。固体電解質層６は、たとえばＺｒを含有してもよい。固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、ＴｍおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６の材料は、たとえばＹｂを含有する安定化ジルコニアであってもよい。固体電解質層６の材料は、たとえばＰｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、ＴｍまたはＹｂが固溶したセリア系材料であってもよい。なお、固体電解質層６の詳細については、後述する。
　空気極層８は、ガス透過性を有している。空気極層８は、第２電極層の一例である。空気極層８の開気孔率は、たとえば２０％～５０％、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。
　空気極層８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極層８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物など導電性セラミックスでもよい。
　空気極層８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。
　また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。空気極層８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）などの元素が固体電解質層６に拡散すると、かかる固体電解質層６にたとえばＳｒＺｒＯ３などの抵抗層が形成される。中間層７は、Ｓｒを拡散させにくくすることで、ＳｒＺｒＯ３その他の電気絶縁性を有する酸化物が形成されにくくする。
　中間層７の材料は、一般的に空気極層８と固体電解質層６との間の元素の拡散を生じにくくするものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ２）を含んでもよい。かかる希土類元素としては、たとえば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。
　また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。
　インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。また、インターコネクタ４の材料として金属または合金を用いてもよい。
＜電気化学セル装置の構成＞
　次に、上述した電気化学セルを用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。
　図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。
　固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、たとえば金属製であり導電性を有している。
　図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。
　ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。
　図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２（図２Ｂ参照）に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図４参照）で生成される。
　水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。
　図２Ａに示す例では、セルスタック装置１０は、２列のセルスタック１１、２つの支持体１５、およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１はそれぞれ、複数のセル１を有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。図２Ａでは、２列のセルスタック１１を有するセルスタック装置１０を示したが、セルスタック装置は１列のセルスタック１１を有してもよいし、３列以上のセルスタック１１を有してもよい。
　挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きくてもよい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きくてもよい。
　図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部には、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。
　固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。
　結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ２Ｏ３系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＭｇＯ系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。
　また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、導電部材１８が介在している。導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と他方のセル１の空気極層８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極層５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極層８とを接続している。なお、インターコネクタ４が金属または合金である場合、インターコネクタ４と導電部材１８とが一体化していてもよいし、導電部材１８がインターコネクタ４を兼ねてもよい。
　また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。
　また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。
　正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。
　接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。
＜素子部の詳細＞
　つづいて、第１の実施形態に係る素子部３が有する燃料極層５および固体電解質層６の詳細について、図３Ａ、図３Ｂを参照しながら説明する。図３Ａは、図１Ａに示す領域Ｒ１を拡大した断面図である。
　図３Ａに示すように、固体電解質層６は、第１元素６ａを含む。第１元素６ａは、たとえば、４ｆ軌道の電子を持つランタノイド系の元素であってもよい。第１元素６ａは、たとえば、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、ＴｍおよびＹｂから選択される１以上の元素であってもよい。
　燃料極層５は、第２元素５ａを含む。第２元素５ａは、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい。かかる第２元素５ａは、たとえば、Ｙ、Ｓｃ、ＭｇおよびＣａから選択される１以上の元素であってもよい。
　ここで、「価数が変動しにくい」とは、価数揺動しにくい、すなわち固体中での原子価がある値で安定していることをいう。たとえば固体中でＹ，Ｓｃの原子価は３＋で安定しており、Ｍｇ，Ｃａの原子価は２＋で安定している。このように、燃料極層５が、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含むことにより、還元雰囲気下にある燃料極層５が第１元素６ａを含む場合と比較してイオン伝導性が低下しにくい。このため、燃料極層５の導電率が低下しにくくなることから、発電性能が低下しにくいセル１が得られる。
　また、固体電解質層６は、イオン伝導性を有する電解質材料を含む。固体電解質層６は、第１元素６ａを含有する金属酸化物を電解質材料として含んでもよい。第１元素６ａは、固体電解質層６が有する電解質材料に固溶していてもよい。固体電解質層６が有する電解質材料は、ＺｒまたはＣｅを含んでもよい。固体電解質層６が有する電解質材料は、ＺｒまたはＣｅを含む酸化物であってもよい。４ｆ軌道の電子を持つランタノイド系の元素はイオン半径が小さい。第１元素６ａとしてこのようなイオン半径の小さい元素が固溶した電解質材料には、酸素空孔が生じやすい。酸素空孔が生じやすい電解質材料は、高いイオン伝導性を示す傾向がある。一方で、４ｆ軌道の電子を持つランタノイド系の元素は、価数が変動しやすい。言い換えると、このような元素は、固体中で異なった原子価の状態、たとえば２＋と３＋の原子価を揺動しやすい。このような元素は、還元雰囲気下において還元されやすい。
　燃料極層５は、イオン伝導性を有する電解質材料を含む。燃料極層５は、第２元素５ａを含有する金属酸化物を電解質材料として含んでもよい。第２元素５ａは、燃料極層５が有する電解質材料に固溶していてもよい。燃料極層５が有する電解質材料は、Ｚｒを含んでもよい。燃料極層５が有する電解質材料は、Ｚｒを含む酸化物であってもよい。燃料極層５が有する電解質材料は、固体電解質層６が有する電解質材料と同じでもよいし、異なっていてもよい。第２元素５ａは還元雰囲気下において第１元素６ａよりも還元されにくい。そのため、第２元素５ａが固溶した電解質材料は、還元雰囲気下でも第１元素６ａが固溶した電解質材料と比べてイオン伝導性が低下しにくい。
　また、燃料極層５は、金属を含有する触媒粒子５ｂをさらに含んでもよい。触媒粒子５ｂは、たとえば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯであってもよい。
　図３Ｂは、図１Ａに示す領域Ｒ１の別の例を示す断面図である。図３Ｂに示すように、燃料極層５は、第１元素６ａをさらに含んでもよい。これにより、第１元素６ａを含む固体電解質層６と燃料極層５との接合強度が向上する。
　また、固体電解質層６は、第２元素５ａをさらに含んでもよい。これにより、第２元素５ａを含む燃料極層５と固体電解質層６との接合強度が向上する。
　また、燃料極層５が第１元素６ａを含む場合、固体電解質層６は、燃料極層５よりも第１元素６ａの含有量が大きくてもよい。これにより、燃料極層５が第１元素６ａを有する場合であっても、発電性能が低下しにくい。なお、燃料極層５および／または固体電解質層６が複数の第１元素６ａを含む場合、第１元素６ａの含有量とは、当該複数の第１元素６ａの含有量の合計とする。また、第１元素６ａの含有量とは、所定の部位において燃料極層５および固体電解質層６にそれぞれ含まれる元素を酸化物換算した合計に対する、酸化物換算した第１元素６ａのモル比率（モル％）である。燃料極層５および固体電解質層６のそれぞれにおける第１元素６ａの含有量は、たとえばＥＰＭＡを用いた元素分析により確認できる。具体的には、燃料極層５および固体電解質層６を含む断面画像を撮影する。撮影した断面画像の領域において、燃料極層５および固体電解質層６にそれぞれ含まれる元素を分析する。得られた元素分析結果から、各部位における第１元素６ａの含有量（モル比率）の平均値をそれぞれ算出し、比較すればよい。なお、燃料極層５および固体電解質層６にそれぞれ含まれる元素とは、燃料極層５／および固体電解質層６の所定の部位にそれぞれ含まれる電解質材料から検出される元素である。換言すれば、各部位の第１元素６ａの含有量を比較する場合、燃料極層５に含まれる触媒粒子５ｂを除いた残りの元素における第１元素６ａの含有量を比較すればよい。
　また、固体電解質層６が第２元素５ａを含む場合、固体電解質層６は、燃料極層５と向かい合う面６１（第１面）の近傍に第２元素５ａを含んでいてもよい。これにより、燃料極層５と固体電解質層６との接合強度が向上する。ここで、「面６１の近傍」とは、燃料極層５と向かい合う固体電解質層６の面６１と、面６１の反対側に位置する固体電解質層６の面６２とを規定したときに、面６２よりも面６１に近い部分をいう。
　また、燃料極層５が第１元素６ａを含む場合、燃料極層５は、固体電解質層６と向かい合う面５１（第２面）の近傍に第１元素６ａを含んでいてもよい。これにより、燃料極層５と固体電解質層６との接合強度が向上する。ここで、「面５１の近傍」とは、固体電解質層６と向かい合う燃料極層５の面５１と、面５１の反対側に位置する燃料極層５の面５２とを規定したときに、面５２よりも面５１に近い部分をいう。
　また、燃料極層５が第１元素６ａを含む場合、燃料極層５は、固体電解質層６と向かい合う面５１（第２面）の近傍にのみ第１元素６ａを含んでいてもよい。燃料極層５の導電率が低下しにくくなることから、発電性能が低下しにくいセル１が得られ、かつ、燃料極層５と固体電解質層６との接合強度が向上する。
＜モジュール＞
　次に、上述した電気化学セル装置を用いた本実施形態に係るモジュールについて、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。図４では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。
　図４に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１と、収納容器１０１内に収納されたセルスタック装置１０とを備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。
　かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。
　そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。
　また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００℃～１０００℃程度となる。
　このようなモジュール１００においては、上述したように、発電性能が低下しにくいセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、発電性能が低下しにくいモジュール１００とすることができる。
＜モジュール収容装置＞
　図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図４で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
　図５に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図５では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。
　また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。
　このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、発電性能が低下しにくいモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、発電性能が低下しにくいモジュール収容装置１１０とすることができる。
　なお、上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。
［第２の実施形態］
　つづいて、第２の実施形態に係る電気化学セルおよび電気化学セル装置について、図６Ａ～図７を参照しながら説明する。
　上述の実施形態では、支持基板の表面に燃料極層、固体電解質層および空気極層を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」の電気化学セルを配列した横縞型の電気化学セル装置に適用することができる。
　図６Ａは、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。図６Ｂは、第２の実施形態に係る電気化学セル装置が有する電気化学セルの一例を示す横断面図である。
　図６Ａに示すように、本実施形態に係るセルスタック装置１０Ａは、燃料ガスを流通させる配管２２ａから複数のセル１Ａが長さ方向Ｌに延びている。セル１Ａは、支持基板２上に複数の素子部３を有している。支持基板２の内部には、配管２２ａからの燃料ガスが流れるガス流路２ａが設けられている。
　また、各セル１Ａは、接続部材３１を介して互いに電気的に接続されている。接続部材３１は、各セル１Ａがそれぞれ有する素子部３の間に位置しており、隣り合うセル１Ａを接続している。具体的には、接続部材３１は、隣り合うセル１Ａのうち一方のセル１Ａの素子部３の空気極層８と、他方のセル１Ａの素子部３の燃料極層５とを、電気的に接続している。
　また、図６Ｂに示すように、セル１Ａは、支持基板２と、一対の素子部３と、封止部３０とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面である第１面ｎ１および第２面ｎ２、およびかかる第１面ｎ１および第２面ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
　一対の素子部３は、支持基板２の第１面ｎ１および第２面ｎ２上に、互いに対向するように位置している。また、封止部３０は、支持基板２の側面ｍを覆うように位置している。
　図７は、図６Ｂに示す領域Ｒ２を拡大した断面図である。固体電解質層６は、第１元素６ａを含む。燃料極層５は、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含む。燃料極層５は、金属を含有する触媒粒子５ｂをさらに含んでもよい。
　このように、燃料極層５が、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含むことにより、還元雰囲気下にある燃料極層５が第１元素６ａを含む場合と比較してイオン伝導性が低下しにくい。このため、燃料極層５の導電率が低下しにくくなることから、発電性能が低下しにくいセル１Ａが得られる。
［第３の実施形態］
　図８は、第３の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す斜視図である。図９は、図８に示す電気化学セルの部分断面図である。
　図８、図９に示すように、セル１Ｂは、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８が積層された素子部３Ｂを有している。素子部３Ｂは、固体電解質層６が、燃料極層５および空気極層８に挟まれた部位である。複数の平板型セルを積層させた電気化学セル装置は、たとえば複数のセル１Ｂが、互いに隣り合う金属層である導電部材９１，９２により電気的に接続されている。導電部材９１，９２は、隣接するセル１Ｂ同士を電気的に接続するとともに、燃料極層５または空気極層８にガスを供給するガス流路を有している。
　図９に示すように、セル１Ｂは、平板型セルスタックの燃料ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを気密に封止する封止材を有している。封止材はセル１Ｂの固定部材９６であり、接合材９３およびフレームである支持部材９４，９５を有する。接合材９３は、ガラスであってもよいし、銀ロウなどの金属材料であってもよい。
　支持部材９４は、燃料ガスの流路と酸素含有ガスの流路とを区画するいわゆるセパレータであってもよい。支持部材９４，９５の材料は、例えば導電性の金属であってもよいし、絶縁性のセラミックスであってもよい。支持部材９４，９５は、両方またはいずれか一方が絶縁性の材料であってもよい。支持部材９４が金属であった場合、支持部材９４は導電部材９２と一体化していてもよい。支持部材９５が金属であった場合、支持部材９５は導電部材９１と一体化していてもよい。
　支持部材９４，９５のうちいずれか１つは絶縁性であり、平板型セルを挟む２つの導電部材９１，９２を互いに電気的に絶縁している。
　図１０は、図９に示す領域Ｒ３を拡大した断面図である。固体電解質層６は、第１元素６ａを含む。燃料極層５は、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含む。燃料極層５は、金属を含有する触媒粒子５ｂをさらに含んでもよい。
　このように、燃料極層５が、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含むことにより、還元雰囲気下にある燃料極層５が第１元素６ａを含む場合と比較してイオン伝導性が低下しにくい。このため、燃料極層５の導電率が低下しにくくなることから、発電性能が低下しにくいセル１Ｂが得られる。
［第４の実施形態］
　図１１Ａは、第４の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。図１１Ｂ、図１１Ｃは、第４の実施形態に係る電気化学セルの他の一例を示す横断面図である。図１２は、図１１Ａに示す領域Ｒ４の拡大図である。なお、図１２は、図１１Ｂ、図１１Ｃの例にも適用できる。
　図１１Ａ～図１１Ｃに示すように、セル１Ｃは、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８が積層された素子部３Ｃと、支持基板２とを有している。支持基板２は、素子部３Ｃと接する部位に貫通孔または細孔を有するとともに、ガス流路２ａの外側に位置する部材１２０を有する。支持基板２は、ガス流路２ａと素子部３Ｃとの間でガスを流通させることができる。支持基板２は、例えば、１または複数の金属板で構成されてもよい。金属板の材料は、クロムを含有していてもよい。金属板は、導電性の被覆層を有していてもよい。支持基板２は、隣接するセル１Ｃ同士を電気的に接続する。素子部３Ｃは、支持基板２上に直接形成されていてもよいし、接合材により支持基板２に接合されていてもよい。
　図１１Ａに示す例では、燃料極層５の側面は固体電解質層６により被覆され、燃料ガスが流れるガス流路２ａを気密に封止している。図１１Ｂに示すように、燃料極層５の側面は緻密なガラスまたはセラミックを材料とする封止材９で被覆され、封止されていてもよい。燃料極層５の側面を被覆する封止材９は、電気絶縁性を有していてもよい。
　また、支持基板２のガス流路２ａは、図１１Ｃに示すように凹凸を有する部材１２０により形成されていてもよい。
　図１２は、図１１Ａに示す領域Ｒ４を拡大した断面図である。固体電解質層６は、第１元素６ａを含む。燃料極層５は、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含む。燃料極層５は、金属を含有する触媒粒子５ｂをさらに含んでもよい。
　このように、燃料極層５が、第１元素６ａよりも価数が変動しにくい第２元素５ａを含むことにより、還元雰囲気下にある燃料極層５が第１元素６ａを含む場合と比較してイオン伝導性が低下しにくい。このため、燃料極層５の導電率が低下しにくくなることから、発電性能が低下しにくいセル１Ｃが得られる。
［その他の実施形態］
　つづいて、その他の実施形態に係る電気化学セル装置について説明する。
　上記した実施形態では、「電気化学セル」、「電気化学セル装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。電解セルは、第１電極層および第２電極層を有し、電力の供給により、水蒸気を水素と酸素に分解する、または二酸化炭素を一酸化炭素と酸素に分解する。また、上記した実施形態では、電気化学セルの電解質材料の一例として酸化物イオン伝導体または水素イオン伝導体を示したが、水酸化物イオン伝導体であってもよい。このような電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置によれば、電解性能を向上することができる。
　以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。たとえば、図７、図１０および図１２に示す領域Ｒ２～Ｒ４に代えて、図３Ｂに示す領域Ｒ１に相当する態様を採用してもよい。
　一実施形態において、（１）電気化学セルは、第１電極層と、
　第２電極層と、
　前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置する固体電解質層と
　を備え、
　前記固体電解質層は、第１元素を含み、
　前記第１電極層は、前記第１元素よりも価数が変動しにくい第２元素を含む。
　（２）上記（１）の電気化学セルにおいて、前記第１電極層は、前記第１元素を含み、
　前記固体電解質層は、前記第１電極層よりも前記第１元素の含有量が大きくてもよい。
　（３）上記（１）または（２）の電気化学セルにおいて、前記第１電極層は、金属を含有する触媒粒子をさらに含んでもよい。
　（４）上記（１）～（３）のいずれか１つの電気化学セルにおいて、前記第１電極層および前記固体電解質層は、イオン伝導性を有する電解質材料を含み、
　前記第１元素および前記第２元素は、前記電解質材料に固溶していてもよい。
　（５）上記（４）の電気化学セルにおいて、前記電解質材料は、ＺｒまたはＣｅを含んでもよい。
　（６）上記（１）～（５）のいずれか１つの電気化学セルにおいて、前記第１元素は、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、ＴｍおよびＹｂから選択される１以上の元素であってもよい。
　（７）上記（１）～（６）のいずれか１つの電気化学セルにおいて、前記第２元素は、Ｙ、Ｓｃ、ＭｇおよびＣａから選択される１以上の元素であってもよい。
　（８）上記（１）～（７）のいずれか１つの電気化学セルにおいて、前記固体電解質層は、前記第１電極層と向かい合う第１面の近傍に前記第２元素を含んでいてもよい。
　（９）上記（１）～（８）のいずれか１つの電気化学セルにおいて、前記第１電極層は、前記固体電解質層と向かい合う第２面の近傍に前記第１元素を含んでいてもよい。
　（１０）上記（９）の電気化学セルにおいて、前記第１電極層は、前記第２面の近傍にのみ前記第１元素を含んでいてもよい。
　一実施形態において、（１１）電気化学セル装置は、上記（１）～（１０）のいずれか１つの電気化学セルを含むセルスタックを有する。
　一実施形態において、（１２）モジュールは、上記（１１）の電気化学セル装置と、
　前記電気化学セル装置を収納する収納容器とを備える。
　一実施形態において、（１３）モジュール収容装置は、上記（１２）のモジュールと、
　前記モジュールの運転を行うための補機と、
　前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。
　今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
　１　　　　セル
　２　　　　支持基板
　５　　　　燃料極層
　５ａ　　　第２元素
　６　　　　固体電解質層
　６ａ　　　第１元素
　７　　　　中間層
　８　　　　空気極層
　１０　　　セルスタック装置
　１１　　　セルスタック
　１２　　　固定部材
　１３　　　固定材
　１４　　　支持部材
　１５　　　支持体
　１６　　　ガスタンク
　１７　　　端部集電部材
　１８　　　導電部材
１００　　　モジュール
１１０　　　モジュール収容装置

Claims (13)

  1. 　第１電極層と、
    　第２電極層と、
    　前記第１電極層と前記第２電極層との間に位置する固体電解質層と
    　を備え、
    　前記固体電解質層は、第１元素を含み、
    　前記第１電極層は、前記第１元素よりも価数が変動しにくい第２元素を含む
    　電気化学セル。
  2. 　前記第１電極層は、前記第１元素を含み、
    　前記固体電解質層は、前記第１電極層よりも前記第１元素の含有量が大きい
    　請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 　前記第１電極層は、金属を含有する触媒粒子をさらに含む
    　請求項１または２に記載の電気化学セル。
  4. 　前記第１電極層および前記固体電解質層は、イオン伝導性を有する電解質材料を含み、
    　前記第１元素および前記第２元素は、前記電解質材料に固溶している
    　請求項１～３のいずれか１つに記載の電気化学セル。
  5. 　前記電解質材料は、ＺｒまたはＣｅを含む
    　請求項４に記載の電気化学セル。
  6. 　前記第１元素は、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、ＴｍおよびＹｂから選択される１以上の元素である
    　請求項１～５のいずれか１つに記載の電気化学セル。
  7. 　前記第２元素は、Ｙ、Ｓｃ、ＭｇおよびＣａから選択される１以上の元素である
    　請求項１～６のいずれか１つに記載の電気化学セル。
  8. 　前記固体電解質層は、前記第１電極層と向かい合う第１面の近傍に前記第２元素を含む
    　請求項１～７のいずれか１つに記載の電気化学セル。
  9. 　前記第１電極層は、前記固体電解質層と向かい合う第２面の近傍に前記第１元素を含む
    　請求項１～８のいずれか１つに記載の電気化学セル。
  10. 　前記第１電極層は、前記第２面の近傍にのみ前記第１元素を含む
    　請求項９に記載の電気化学セル。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１つに記載の電気化学セルを含むセルスタックを有する
    　電気化学セル装置。
  12. 　請求項１１に記載の電気化学セル装置と、
    　前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
    　を備えるモジュール。
  13. 　請求項１２に記載のモジュールと、
    　前記モジュールの運転を行うための補機と、
    　前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
    　を備えるモジュール収容装置。
PCT/JP2024/019504 2023-05-31 2024-05-28 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置 Pending WO2024247989A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2023090266 2023-05-31
JP2023-090266 2023-05-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024247989A1 true WO2024247989A1 (ja) 2024-12-05

Family

ID=93658006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2024/019504 Pending WO2024247989A1 (ja) 2023-05-31 2024-05-28 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024247989A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001118590A (ja) * 1999-10-21 2001-04-27 Toto Ltd 高導電性固体電解質膜及びその製造方法
KR20100024545A (ko) * 2008-08-26 2010-03-08 한국에너지기술연구원 입방정 이터비아 안정화 지르코니아 및 이를 이용한 고체산화물연료전지
JP2015170602A (ja) * 2014-03-06 2015-09-28 株式会社ケーセラセル 固体酸化物燃料電池用高イオン伝導性ジルコニア電解質、高イオン伝導性ジルコニア電解質焼結体、固体酸化物燃料電池用単電池、及び、固体酸化物燃料電池用高イオン伝導性ジルコニア電解質の合成方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001118590A (ja) * 1999-10-21 2001-04-27 Toto Ltd 高導電性固体電解質膜及びその製造方法
KR20100024545A (ko) * 2008-08-26 2010-03-08 한국에너지기술연구원 입방정 이터비아 안정화 지르코니아 및 이를 이용한 고체산화물연료전지
JP2015170602A (ja) * 2014-03-06 2015-09-28 株式会社ケーセラセル 固体酸化物燃料電池用高イオン伝導性ジルコニア電解質、高イオン伝導性ジルコニア電解質焼結体、固体酸化物燃料電池用単電池、及び、固体酸化物燃料電池用高イオン伝導性ジルコニア電解質の合成方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7453485B1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
EP4394958A1 (en) Electrochemical cell, electrochemical cell device, module, and module storage device
JP7672999B2 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP7583227B2 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP7736801B2 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP7657386B1 (ja) 固体電解質層、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2024247989A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP7794994B2 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP7525759B1 (ja) 固体電解質層、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP7692059B2 (ja) 電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2024150829A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
EP4489151A1 (en) Electrochemical cell, electrochemical cell device, module, and module accommodating device
JP7678720B2 (ja) セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2024143355A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2025094956A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP2024048859A (ja) 電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2024117052A1 (ja) 複合部材、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP2025153056A (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2025070717A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2025047876A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP2025021234A (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
JP2026008859A (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2024248059A1 (ja) 導電部材、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2024162413A1 (ja) 固体電解質層、電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置
WO2025095015A1 (ja) 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 24815472

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2025524100

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A