電気化学装置
【課題】スタックにおけるセルとガス流通構造とのシール部分におけるクラックやセルの破損などによるガスリークを防止できる板状電気化学セルを提供する。
【解決手段】セラミックス製板状電気化学セル１は、ガス供給路（ガス排出路）９ａに設けられているガス供給部材９Ａ、ガス排出部材９Ｂおよび支持部材１５を備える。各セル１が、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えている。セルに第一のコーナー部、第二のコーナー部、第三のコーナー部および第四のコーナー部が設けられている。第一のガスを流すガス流路１０が第一の電極の内部に形成されている。ガス供給孔およびガス排出孔がセルに設けられている。各セルが第一のコーナー部でガス供給部材９Ａによって支持され、第二のコーナー部でガス排出部材９Ｂによって支持され、第三および第四のコーナー部でそれぞれ支持部材１５によって支持される。
【解決手段】セラミックス製板状電気化学セル１は、ガス供給路（ガス排出路）９ａに設けられているガス供給部材９Ａ、ガス排出部材９Ｂおよび支持部材１５を備える。各セル１が、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えている。セルに第一のコーナー部、第二のコーナー部、第三のコーナー部および第四のコーナー部が設けられている。第一のガスを流すガス流路１０が第一の電極の内部に形成されている。ガス供給孔およびガス排出孔がセルに設けられている。各セルが第一のコーナー部でガス供給部材９Ａによって支持され、第二のコーナー部でガス排出部材９Ｂによって支持され、第三および第四のコーナー部でそれぞれ支持部材１５によって支持される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池などの電気化学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、セラミック製電気化学セルの例えば燃料極の内部に燃料流路を形成し、燃料極の上に固体電解質膜、空気極膜を形成する。そしてセルそのものにガス供給孔とガス排出孔とを設け、セルを直接に複数枚積層してスタックを形成する。このスタック形成のさいに、隣接する各セルのガス供給孔を連続させてガス供給路を形成し、各セルのガス排出孔を連続させることでガス排出路を形成する。
【特許文献１】ＷＯ ２００７／０２９８６０ Ａ１
【０００３】
また、特許文献２および非特許文献１においては、各セルの貫通孔にガス供給管を挿通する。隣接するセルに挿通された各ガス供給管を連結し、連結されたガス供給構造体を作製する。このガス供給構造体によって、複数のセルをそれぞれ固定し、スタックを形成する。この結果、個々のセルは、互いに接触しておらず、連結されたガス供給構造体によって支持されており、セルそれ自体は構造保持部材として働かない。従って、セルスタックに対して外力が加わっても、個々のセルに対しては過大な応力が加わりにくい。
【特許文献２】ＷＯ ２００８／１２３５７０
【非特許文献１】第１５回 ＳＯＦＣ研究発表会 講演要旨集（平成１８年１２月５日発行：ＳＯＦＣ研究会）、第２１２〜２１５ページ 「流路内蔵セル・スタックの発電特性」
【０００４】
また、特許文献３（本出願時未公開）では、ガス供給部材や排出部材を設けるのに際して、セルごとにガス供給部材を設け、隣接するセル用のガス供給部材を互いに連結せずに隙間を設け、ガス供給部材とセルとの間をシールする。
【特許文献３】特願２００８−７７５００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし，本発明者が更に継続的に研究を続けてきたところ、前記の各文献記載のスタックでは、平板状セルを縦に置いて配列した場合には問題がないが、平板状セルを水平にして上下方向に多数積層した場合には、問題が生ずることを見いだした。
【０００６】
すなわち、上記の構造では、平板状セルを上下に多数積層したときには、セルがガス供給部材およびガス排出部材によって支持されることになる。しかし、この構造では、最も下にあるガス供給部材、排出部材に過大な応力が加わる。その上で、各セルはセラミックスの焼結によって製造されるが、セルの各部分（固体電解質、燃料極、空気極）の熱膨張係数の相違などによってセルが反ることは避けられない。さらに、セルを上下方向に多数積層するときには、各セルをガス供給部材、排出部材に対して気密性シール材によって接合し、シールする必要があり、このために加熱および冷却工程が加わる。しかし、この加熱−冷却の際に、各セルに反りが生ずる。この結果、セルのガス供給部材、排出部材とのシール部分およびその周辺に曲げモーメントが働き、セル、シール材、ガス供給部材、排出部材に微細なクラックが入る傾向があった。すると、セルの発電性能が低下し、あるいはスタックごとのバラツキが大きくなる。
【０００７】
本発明の課題は、板状電気化学セルを縦に置いてスタックした場合に、セルとガス流通構造とのシール部分におけるクラックやセルの破損などによるガスリークを防止できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、セラミックス製板状電気化学セル、ガス供給路の設けられているガス供給部材、ガス排出路の設けられているガス排出部材および支持部材を備えており、複数の前記電気化学セルが互いに離間された状態で上下方向に向かって支持されている電気化学装置であって、
各セルが、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、セルに第一のコーナー部、第二のコーナー部、第三のコーナー部および第四のコーナー部が設けられており、第一のガスを流すガス流路が第一の電極の内部に形成されており、ガス供給孔およびガス排出孔がセルに設けられており、
各セルが第一のコーナー部でガス供給部材によって支持され、第二のコーナー部でガス排出部材によって支持され、第三のコーナー部および第四のコーナー部でそれぞれ支持部材によって支持され、ガス供給部材のガス供給路およびガス排出部材のガス排出路がセルのガス流路と連通しており、支持部材が、ガス供給およびガス排出機能がない構造部材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、平板状セルを４つのコーナー部でガス供給部材、ガス排出部材および支持部材によって支持している。この構造では、最も下にあるセルに対する応力がコーナー部に分散される。その上で、各セルが反ったときに、セルの反りによる曲げモーメントがセルの一部分に局所的に集中しにくく、局所的な割れやクラックが発生しにくい。これにより、スタックごとの性能のバラツキを低減できる。
【００１０】
本発明者は、当初、第一−第四のすべてのコーナー部分について、ガス供給部材、あるいはガス排出部材を設置して、ガスの供給、排出効率を高めることを検討した。しかし、この方法では、コーナー部分からのリークが生ずることがあった。それは、ガス供給部材とセル、ガス排出部材とセルとの間では、気密性の高いシールが必要なので、緻密質のシール材が必要であるが、同時に、セルの反りに対して対応する柔軟性も必要である。このような材料は少なく、このガスリークによってスタックの性能が低下することがあった。
【００１１】
これに対して、本発明では、第一および第二のコーナー部分では、セルをガス供給部材、排出部材によって支持しているが、第三および第四のコーナー部分では、あえてセルをガス供給、排出機能のない支持部材によって支持している。これによって、第三、第四のコーナー部分では、気密性、緻密性の高くない接合材を利用できる。これによって、セルの反りによる影響を第三のコーナー部、第四のコーナー部で大きく緩和することができ、かえってスタックの性能が向上することを発見した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明では、電気化学セルは板状であることが好ましい。ただし、平板状には限らず、湾曲した板や円弧状の板でもよい。電気化学セルは、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および、第二のガスと接触する第二の電極を備えている。
【００１３】
ここで、第一の電極、第二の電極は、アノードまたはカソードから選択する。これらのうち一方がアノードである場合には、他方はカソードである。これと同様に、第一のガス、第二のガスは、酸化性ガス、還元性ガスから選択する。
【００１４】
酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４とこれらの混合ガスを例示できる。
【００１５】
本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。また、電気化学セルを、ＮＯｘ、ＳＯｘの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ２とＯ２とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ２へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体酸化物形燃料電池である。
【００１６】
固体電解質の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
【００１７】
カソードの材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。
【００１８】
アノードの材質としては、ニッケル−マグネシアアルミナスピネル、ニッケル−ニッケルアルミナスピネル、ニッケル−ジルコニア、白金−酸化セリウム、ルテニウム−ジルコニア等が好ましい。
【００１９】
各電気化学セルの形態は特に限定されない。電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層の３層からなっていてよい。あるいは、電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層以外に、例えば多孔質体層を有していて良い。
【００２０】
第一のガスを流すガス流路および貫通孔が電気化学セルに設けられている。ガス流路の形態、貫通孔の個数および場所は特に限定されない。
【００２１】
好適な実施形態においては、セルの第一のコーナー部に、ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、第二のコーナー部に、ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、ガス供給部材が第一の貫通孔に挿通されており、ガス排出部材が第二の貫通孔に挿通されており、上下方向に隣接するガス供給部材が互いに気密に連結されることによって各ガス供給路が互いに連通しており、隣接するガス排出部材が互いに気密に連結されることによって各ガス排出路が互いに連通している。
【００２２】
この実施形態において特に好ましくは、ガス供給部材および／またはガス排出部材が、第一の貫通孔に挿通されている管状部と、管状部の一端に設けられている第一のフランジ部と、管状部の他端に設けられている第二のフランジ部とを備えており、第一のフランジ部とセルとの間に第一のシール材が設けられており、第二のフランジ部とセルとの間に第二のシール材が設けられている。
【００２３】
また、好適な実施形態においては、セルの第三のコーナー部および第四のコーナー部に、ガス流路に連通する貫通孔が形成されておらず、各支持部材とセルの第三のコーナー部および第四のコーナー部との間にそれぞれ接合材が介在する。これによって、セルの第三および第四のコーナー部からのガスリークの可能性がなく、したがって接合材として、気密性の仕様の厳しくない接合材を利用できる。
【００２４】
ガス供給部材、ガス排出部材の管状部の具体的形態は限定されない。管状部の横断面形状は、例えば、真円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などの多角形であってよい。
【００２５】
図１、図２は、それぞれ、電気化学セル１、１Ａを分解して示す斜視図である。図３は、図２のセル１Ａを連結した状態を示す斜視図である。図４は、セル１Ａにガス供給部材（排出部材）２（３）および支持部材１５を取り付けた状態を示す断面図である。図５は、図４のセル１Ａを上下方向に積層した状態を示す断面図である。
【００２６】
電気化学セル１、１Ａの第一の電極１１の内部に、第一のガスを流すためのガス流路１０が形成されている。第一の電極１１は平板状をなしており、第一の電極１１の両方の主面および側面全てに、それぞれ、固体電解質層６が設けられている。両方の主面上にある各固体電解質層６上には、それぞれ、第二の電極７が形成されている。セル１の両方の主面には、第二の電極７が露出する。セル１、１Ａの表面には、第一の電極１１に電気的に導通する接続パッド４が露出している。
【００２７】
電気化学セル１の第一のコーナー部１８Ａおよび第二のコーナー部１８Ｂには、第一の貫通孔２および第二の貫通孔３が形成されている。貫通孔２および３は、ガス流路１０に対して連通している。セルの稼働時には、貫通孔２から第一のガスを供給する。ガスは矢印Ａのように流路内に入り、矢印Ｂのように流路内を分配され、矢印Ｃのように貫通孔３へと入り、セル外に出る。
【００２８】
図１のセル１においては、第三のコーナー部１８Ｃおよび第四のコーナー部１８Ｄに、それぞれ貫通孔８が形成されている。一方、図２のセル１Ａにおいては、第三のコーナー部および第四のコーナー部に貫通孔が形成されていない。
【００２９】
次に、図３〜図５のスタックにおけるセルの接続方法を述べる。
ガス流通部材は、貫通孔２側ではガス供給部材９Ａとして働き、貫通孔３側ではガス排出部材９Ｂとして働く。ガス供給部材９Ａ、排出部材９Ｂは、第一のフランジ部９ｂ、第二のフランジ部１５およびこられの間にある管状部９ｃを備えている。ガス流通部材９中にはガス流路９ａが形成されており、ガス流路９ａはセル１のガス流路１０に対して連通路９ｄで連通している。ガス流路９ａは、ガス供給路またはガス排出路として作用する。
【００３０】
図４に示すように、管状部９ｃをセルの貫通孔２、３内に挿入し、フランジ部９ｂをセルの壁面に対して対向させ、フランジ部９ｂのシール面をセルの主面に対向させる。フランジ部９ｂとセル壁面との間にシール材１３をはさむのと共に、フランジ部１５のシール面と主面との間にシール材１３をはさむ。本例ではフランジ部１５はガス流通部材と別体にしているが、一体にしてもよい。
【００３１】
また、第三および第四のコーナー部１８Ｃ、１８Ｄにおいては、柱状の支持部材１５とセル主面との間に接合材１４を介在させ、支持部材１５によってセル１Ａを支持している。
【００３２】
そして、セル、ガス供給部材、ガス排出部材および支持部材を上下に積層した状態を図５に示す。ここで、各ガス供給部材、排出部材および支持部材によって、隣接する二つのセル１Ａを連結している。即ち、各ガス供給部材９Ａ、排出部材９Ｂの管状部９ｃを一つのセル１Ａの貫通孔２（３）に挿入してシールし、隣のガス供給部材同士、排出部材部材同士を互いに連結する。これによって、隣接するセルのガス流路１０が気密に連結され、また機械的にも固定される。この結果、複数のガス供給部材９Ａ、排出部材９Ｂのガス流路９ａが連通し、それぞれガス供給路（またはガス排出路）を形成する。
【００３３】
また、第三および第四のコーナー部においては、セル１Ａ、接合材１４、支持部材１５がこの順番で交互に配置され、積層されている。これによって、各セルが第一−第四の各コーナー部において支持される。
【００３４】
ここで、比較のため、セルの第一および第二のコーナー部において、それぞれガス供給部材、ガス排出部材によってガスをシールしつつセルを上下方向に積層する場合について述べる。
【００３５】
図６に示すセル２１は、図１、図２のセルと同様のものである。そして、セル２１の第一のコーナー部にはガス供給部材９Ａが連結されており、第二のコーナー部にはガス排出部材９Ｂが連結されている。
【００３６】
図７は、セル２１とガス供給部材９Ａ（ガス排出部材９Ｂ）との連結状態を示す断面図である。この連結方法も、前述した本発明例と同様である。ただし、本例では、第三のコーナー部および第四のコーナー部が支持部材に接合されていない。
【００３７】
本比較例では、セル、ガス供給部材およびガス排出部材をスタックすると、図８に示す状態となる。この状態では、平板状セルを上下に多数積層したときには、セルがガス供給部材およびガス排出部材によって支持されることになる。この構造では、最も下にあるガス供給部材、排出部材に過大な応力Ｆが加わる。その上で、各セルをガス供給部材、排出部材に対して気密性シール材１３によって接合し、シールする必要があり、このために加熱および冷却工程が加わる。しかし、この加熱−冷却の際に、各セル２１に反りが生ずる。たとえば、セル２１の末端が矢印Ｄのように下方へと変形する。この結果、セル２１のガス供給部材、排出部材とのシール部分およびその周辺に曲げモーメントＥが働き、セル、シール材、ガス供給部材、排出部材に微細なクラックが入る傾向があった。すると、セルの発電性能が低下し、あるいはスタックごとのバラツキが大きくなる。
【００３８】
これに対して、本発明例では、図９に模式的に示すようになる。すなわち、セル１の第一および第二のコーナー部１８Ａ、１８Ｂはガス供給部材９Ａ（ガス排出部材９Ｂ）によって支持されており、第三および第四のコーナー部１８Ｃ、１８Ｄは支持部材１５によって支持される。この構造では、最も下にあるセルに対する応力Ｆがコーナー部に分散される。その上で、各セルが反ったときに、セルの反りによる曲げモーメントがセルの一部分に局所的に集中しにくく、局所的な割れやクラックが発生しにくい。これにより、スタックごとの性能のバラツキを低減できる。
【００３９】
第一−第四のすべてのコーナー部分について、ガス供給部材、あるいはガス排出部材を設置して、ガスの供給、排出効率を高めることも考えられる。しかし、この方法では、コーナー部分からのリークが生ずることがあった。それは、ガス供給部材とセル、ガス排出部材とセルとの間では、気密性の高いシールが必要なので、緻密質のシール材１３が必要であるが、同時に、セルの反りに対して対応する柔軟性も必要である。このような材料は少なく、このガスリークによってスタックの性能が低下することがあった。
【００４０】
本発明例では、第一および第二のコーナー部分では、セルをガス供給部材、排出部材によって支持しているが、第三および第四のコーナー部分では、あえてセルをガス供給、排出機能のない支持部材１５によって支持している。これによって、第三、第四のコーナー部分では、気密性、緻密性の高くない接合材１４を利用できる。これによって、セルの反りによる影響を第三のコーナー部、第四のコーナー部で大きく緩和することができ、かえってスタックの性能が向上する。
【００４１】
ガス供給部材、ガス排出部材の材質は、セルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高ければ特に限定されないが、セルとの熱膨張係数差が2×10-6
(/K)の材料、例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性および耐還元性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。
【００４２】
ガス供給部材、ガス排出部材とセルとの間を気密シールするシール材の材質は、電気化学セルの作動温度において耐酸化性と耐還元性を有する必要がある。具体的には、シリカを主成分とするガラス及び結晶化ガラス、金属ろうなどを例示できる。また、O リング、C リング、E リングやメタルジャケットガスケット、マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる。
【００４３】
シール材の熱膨張係数とセルの熱膨張係数との差は、3.5×１０−６ （／Ｋ）以下であることか好ましい。この観点からは、シール材の材質は、シリカを主成分とするガラスおよび結晶化ガラス，金属ろうなどを例示できる．また，Oリング，Cリング，Eリングやメタルジャケットガスケット，マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる．
【００４４】
支持部材側の接合材の材質は、発電温度で変形してセルの反りを吸収できる材料が好ましい。具体的には以下を例示できる。
（１） 発電温度付近（好ましくは発電温度±100℃以内）に軟化点がある非晶質ガラス。具体的には以下が挙げられる。
アルミノシリケートガラス，アルミノボロシリケートガラス，ホウケイ酸ガラス
（２） 発電温度付近（好ましくは発電温度±100℃以内）で軟化する金属ろう。具体的には以下が挙げられる。
ニッケルろう，貴金属ろう
【００４５】
接合材の熱膨張係数とセルの熱膨張係数との差は、4.5×１０−６ （／Ｋ）以下であることか好ましく，緻密質材料だけでなく，多孔質材料も使用できる．
【００４６】
支持部材の材質はセルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高く、セルとの熱膨張係数差が3×10-6
(/K)以下の材料が望ましい．例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。これら支持部材は緻密質材料だけでなく，多孔質材料も使用できるため．例示したこれら材料を多孔質にしてヤング率を緻密質の1/2以下にすると，接合材だけでなく支持部材でもセルの反りを吸収することができる．
【００４７】
支持部材の材質を多孔質とする場合には、支持部材の材質の相対密度を80％以下とすることが好ましい。また、強度の点からは、支持部材の材質の相対密度は40％以上であることが好ましい。
【００４８】
隣接するガス供給部材、隣接するガス排出部材を互いに連結する方法は特に限定されず、この連結には、例えば、ガラスやセラミックス製接着剤や、機械的結合法を利用できる。また、この気密シール方法は、特に限定されないが、上記したシール材を用いることが好ましい。
【００４９】
セルのコーナー部とは、セルの主面を平面的に見たときの角（コーナー）の近傍を意味している。好適な実施形態においては、セルの角からセル長の25%の範囲内に、より好ましくはセル長の2%以内に貫通孔、支持部材接触領域の少なくとも一部が存在することを意味する。好ましくは、セルの角からセル長の50%の範囲内に、貫通孔、支持部材接触領域の全体が存在する。
ただし、セル長とは、セルを平面的に見たときの縦と横とのうち長いほうの寸法をいう。
【００５０】
ガス供給、排出の機能のない支持部材は、そのような作用がなければ、形態は特に限定されない。すなわち、横断面の外形輪郭は、円、楕円、三角形、四角形六角形などの多角形であってよい。また、支持部材の内側に空隙や貫通孔があってもよい。
【００５１】
好適な実施形態においては、セルの第三のコーナー部および第四のコーナー部に、ガス流路に連通する貫通孔がそれぞれ形成されている各支持部材が、セルの主面に対して接合材を介して接合されるフランジ部、およびセルの貫通孔に挿通される挿通部を備えており、上下方向に隣接する支持部材のフランジ部と挿通部とが互いに接合されている。
【００５２】
図１０は、この実施形態に係るスタックを示す模式図である。セルの第一および第二のコーナー部における連結状態は、図９と同じである。ただし、本例では、図１のセル１を使用しており、セルの第三および第四のコーナー部に貫通孔８が形成されているが、貫通孔８がガス流路１０に連通していない。支持部材２０は、セルの主面に対して接合材３０を介して接合されるフランジ部２０ａ、およびセルの貫通孔８に挿通される挿通部２０ｂを備えている。上下方向に隣接する支持部材２０のフランジ部２０ａと挿通部２０ｂとが互いに接合されている。
【００５３】
好適な実施形態においては、セルの第一のコーナー部に、セルのガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、第二のコーナー部に、ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、ガス供給部材および／またはガス排出部材が、貫通孔に挿通されている管状部と、セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、隣接するガス供給部材および／またはガス排出部材が互いに連結されておらず，複数のガス供給部材および／またはガス排出部材と複数のセルの第一の貫通孔とによってガス流路が形成されており、ガス供給部材および／またはガス排出部材のシール面とセルの主面との間に設けられたシール材を備えている。
【００５４】
図１１は、この実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
本例では、第三および第四のコーナー部および支持部材１５の形態は図９と同じである。しかし、第一および第二のコーナー部側では、ガス供給部材２１Ａおよびガス排出部材２１Ｂが、セルの第一の貫通孔２および第二の貫通孔３に挿通されている管状部２１ｃと、管状部２１ｃの一端に設けられているフランジ部２１ｂと、隣接するセルの貫通孔に挿通された他の管状部２１ｃとを備えている。フランジ部２１ｂと各セルとの間にシール材１３が設けられている。そして、隣接するガス供給部材（ガス排出部材）が、互いに直接は連結されておらず、セルを介して連結されている。
【００５５】
図１２の例では、セルの第一および第二のコーナー部側での連結状態は、図１１と同じであり、第三および第四のコーナー部側での連結状態は図１０と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】電気化学セル１を分解して示す斜視図である。
【図２】他の電気化学セル１Ａを分解して示す斜視図である。
【図３】セルをスタックした状態を示す斜視図である。
【図４】図３のスタックにおけるセル１Ａ、ガス供給部材（排出部材）および支持部材の連結状態を示す断面図である。
【図５】図４のセル１Ａ、ガス供給部材（排出部材）および支持部材からなるスタックを示す断面図である。
【図６】比較例におけるセル２１のスタックを示す斜視図である。
【図７】図６のセルおよびガス供給部材（排出部材）の連結状態を示す断面図である。
【図８】図７のセルおよびガス供給部材（排出部材）を連結してなるスタックを示す断面図である。
【図９】図５のスタックを模式的に示す断面図である。
【図１０】他の実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
【図１１】更に他の実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
【図１２】更に他の実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ 電気化学セル ２ 第一の貫通孔 ３ 第二の貫通孔 ６ 固体電解質 ７ 第二の電極 ８ 貫通孔 ９Ａ ガス供給部材 ９Ｂ ガス排出部材 ９ａ ガス供給路（ガス排出路） １３ シール材 １４ 接合材 １５ 支持部材 Ａ、Ｂ、Ｃ 第二のガス Ｆ スタックの荷重 Ｇ セルの反り
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池などの電気化学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、セラミック製電気化学セルの例えば燃料極の内部に燃料流路を形成し、燃料極の上に固体電解質膜、空気極膜を形成する。そしてセルそのものにガス供給孔とガス排出孔とを設け、セルを直接に複数枚積層してスタックを形成する。このスタック形成のさいに、隣接する各セルのガス供給孔を連続させてガス供給路を形成し、各セルのガス排出孔を連続させることでガス排出路を形成する。
【特許文献１】ＷＯ ２００７／０２９８６０ Ａ１
【０００３】
また、特許文献２および非特許文献１においては、各セルの貫通孔にガス供給管を挿通する。隣接するセルに挿通された各ガス供給管を連結し、連結されたガス供給構造体を作製する。このガス供給構造体によって、複数のセルをそれぞれ固定し、スタックを形成する。この結果、個々のセルは、互いに接触しておらず、連結されたガス供給構造体によって支持されており、セルそれ自体は構造保持部材として働かない。従って、セルスタックに対して外力が加わっても、個々のセルに対しては過大な応力が加わりにくい。
【特許文献２】ＷＯ ２００８／１２３５７０
【非特許文献１】第１５回 ＳＯＦＣ研究発表会 講演要旨集（平成１８年１２月５日発行：ＳＯＦＣ研究会）、第２１２〜２１５ページ 「流路内蔵セル・スタックの発電特性」
【０００４】
また、特許文献３（本出願時未公開）では、ガス供給部材や排出部材を設けるのに際して、セルごとにガス供給部材を設け、隣接するセル用のガス供給部材を互いに連結せずに隙間を設け、ガス供給部材とセルとの間をシールする。
【特許文献３】特願２００８−７７５００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし，本発明者が更に継続的に研究を続けてきたところ、前記の各文献記載のスタックでは、平板状セルを縦に置いて配列した場合には問題がないが、平板状セルを水平にして上下方向に多数積層した場合には、問題が生ずることを見いだした。
【０００６】
すなわち、上記の構造では、平板状セルを上下に多数積層したときには、セルがガス供給部材およびガス排出部材によって支持されることになる。しかし、この構造では、最も下にあるガス供給部材、排出部材に過大な応力が加わる。その上で、各セルはセラミックスの焼結によって製造されるが、セルの各部分（固体電解質、燃料極、空気極）の熱膨張係数の相違などによってセルが反ることは避けられない。さらに、セルを上下方向に多数積層するときには、各セルをガス供給部材、排出部材に対して気密性シール材によって接合し、シールする必要があり、このために加熱および冷却工程が加わる。しかし、この加熱−冷却の際に、各セルに反りが生ずる。この結果、セルのガス供給部材、排出部材とのシール部分およびその周辺に曲げモーメントが働き、セル、シール材、ガス供給部材、排出部材に微細なクラックが入る傾向があった。すると、セルの発電性能が低下し、あるいはスタックごとのバラツキが大きくなる。
【０００７】
本発明の課題は、板状電気化学セルを縦に置いてスタックした場合に、セルとガス流通構造とのシール部分におけるクラックやセルの破損などによるガスリークを防止できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、セラミックス製板状電気化学セル、ガス供給路の設けられているガス供給部材、ガス排出路の設けられているガス排出部材および支持部材を備えており、複数の前記電気化学セルが互いに離間された状態で上下方向に向かって支持されている電気化学装置であって、
各セルが、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、セルに第一のコーナー部、第二のコーナー部、第三のコーナー部および第四のコーナー部が設けられており、第一のガスを流すガス流路が第一の電極の内部に形成されており、ガス供給孔およびガス排出孔がセルに設けられており、
各セルが第一のコーナー部でガス供給部材によって支持され、第二のコーナー部でガス排出部材によって支持され、第三のコーナー部および第四のコーナー部でそれぞれ支持部材によって支持され、ガス供給部材のガス供給路およびガス排出部材のガス排出路がセルのガス流路と連通しており、支持部材が、ガス供給およびガス排出機能がない構造部材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、平板状セルを４つのコーナー部でガス供給部材、ガス排出部材および支持部材によって支持している。この構造では、最も下にあるセルに対する応力がコーナー部に分散される。その上で、各セルが反ったときに、セルの反りによる曲げモーメントがセルの一部分に局所的に集中しにくく、局所的な割れやクラックが発生しにくい。これにより、スタックごとの性能のバラツキを低減できる。
【００１０】
本発明者は、当初、第一−第四のすべてのコーナー部分について、ガス供給部材、あるいはガス排出部材を設置して、ガスの供給、排出効率を高めることを検討した。しかし、この方法では、コーナー部分からのリークが生ずることがあった。それは、ガス供給部材とセル、ガス排出部材とセルとの間では、気密性の高いシールが必要なので、緻密質のシール材が必要であるが、同時に、セルの反りに対して対応する柔軟性も必要である。このような材料は少なく、このガスリークによってスタックの性能が低下することがあった。
【００１１】
これに対して、本発明では、第一および第二のコーナー部分では、セルをガス供給部材、排出部材によって支持しているが、第三および第四のコーナー部分では、あえてセルをガス供給、排出機能のない支持部材によって支持している。これによって、第三、第四のコーナー部分では、気密性、緻密性の高くない接合材を利用できる。これによって、セルの反りによる影響を第三のコーナー部、第四のコーナー部で大きく緩和することができ、かえってスタックの性能が向上することを発見した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明では、電気化学セルは板状であることが好ましい。ただし、平板状には限らず、湾曲した板や円弧状の板でもよい。電気化学セルは、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質膜および、第二のガスと接触する第二の電極を備えている。
【００１３】
ここで、第一の電極、第二の電極は、アノードまたはカソードから選択する。これらのうち一方がアノードである場合には、他方はカソードである。これと同様に、第一のガス、第二のガスは、酸化性ガス、還元性ガスから選択する。
【００１４】
酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４とこれらの混合ガスを例示できる。
【００１５】
本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。また、電気化学セルを、ＮＯｘ、ＳＯｘの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ２とＯ２とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ２へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体酸化物形燃料電池である。
【００１６】
固体電解質の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
【００１７】
カソードの材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。
【００１８】
アノードの材質としては、ニッケル−マグネシアアルミナスピネル、ニッケル−ニッケルアルミナスピネル、ニッケル−ジルコニア、白金−酸化セリウム、ルテニウム−ジルコニア等が好ましい。
【００１９】
各電気化学セルの形態は特に限定されない。電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層の３層からなっていてよい。あるいは、電気化学セルは、アノード、カソードおよび固体電解質層以外に、例えば多孔質体層を有していて良い。
【００２０】
第一のガスを流すガス流路および貫通孔が電気化学セルに設けられている。ガス流路の形態、貫通孔の個数および場所は特に限定されない。
【００２１】
好適な実施形態においては、セルの第一のコーナー部に、ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、第二のコーナー部に、ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、ガス供給部材が第一の貫通孔に挿通されており、ガス排出部材が第二の貫通孔に挿通されており、上下方向に隣接するガス供給部材が互いに気密に連結されることによって各ガス供給路が互いに連通しており、隣接するガス排出部材が互いに気密に連結されることによって各ガス排出路が互いに連通している。
【００２２】
この実施形態において特に好ましくは、ガス供給部材および／またはガス排出部材が、第一の貫通孔に挿通されている管状部と、管状部の一端に設けられている第一のフランジ部と、管状部の他端に設けられている第二のフランジ部とを備えており、第一のフランジ部とセルとの間に第一のシール材が設けられており、第二のフランジ部とセルとの間に第二のシール材が設けられている。
【００２３】
また、好適な実施形態においては、セルの第三のコーナー部および第四のコーナー部に、ガス流路に連通する貫通孔が形成されておらず、各支持部材とセルの第三のコーナー部および第四のコーナー部との間にそれぞれ接合材が介在する。これによって、セルの第三および第四のコーナー部からのガスリークの可能性がなく、したがって接合材として、気密性の仕様の厳しくない接合材を利用できる。
【００２４】
ガス供給部材、ガス排出部材の管状部の具体的形態は限定されない。管状部の横断面形状は、例えば、真円形、楕円形、三角形、四角形、六角形などの多角形であってよい。
【００２５】
図１、図２は、それぞれ、電気化学セル１、１Ａを分解して示す斜視図である。図３は、図２のセル１Ａを連結した状態を示す斜視図である。図４は、セル１Ａにガス供給部材（排出部材）２（３）および支持部材１５を取り付けた状態を示す断面図である。図５は、図４のセル１Ａを上下方向に積層した状態を示す断面図である。
【００２６】
電気化学セル１、１Ａの第一の電極１１の内部に、第一のガスを流すためのガス流路１０が形成されている。第一の電極１１は平板状をなしており、第一の電極１１の両方の主面および側面全てに、それぞれ、固体電解質層６が設けられている。両方の主面上にある各固体電解質層６上には、それぞれ、第二の電極７が形成されている。セル１の両方の主面には、第二の電極７が露出する。セル１、１Ａの表面には、第一の電極１１に電気的に導通する接続パッド４が露出している。
【００２７】
電気化学セル１の第一のコーナー部１８Ａおよび第二のコーナー部１８Ｂには、第一の貫通孔２および第二の貫通孔３が形成されている。貫通孔２および３は、ガス流路１０に対して連通している。セルの稼働時には、貫通孔２から第一のガスを供給する。ガスは矢印Ａのように流路内に入り、矢印Ｂのように流路内を分配され、矢印Ｃのように貫通孔３へと入り、セル外に出る。
【００２８】
図１のセル１においては、第三のコーナー部１８Ｃおよび第四のコーナー部１８Ｄに、それぞれ貫通孔８が形成されている。一方、図２のセル１Ａにおいては、第三のコーナー部および第四のコーナー部に貫通孔が形成されていない。
【００２９】
次に、図３〜図５のスタックにおけるセルの接続方法を述べる。
ガス流通部材は、貫通孔２側ではガス供給部材９Ａとして働き、貫通孔３側ではガス排出部材９Ｂとして働く。ガス供給部材９Ａ、排出部材９Ｂは、第一のフランジ部９ｂ、第二のフランジ部１５およびこられの間にある管状部９ｃを備えている。ガス流通部材９中にはガス流路９ａが形成されており、ガス流路９ａはセル１のガス流路１０に対して連通路９ｄで連通している。ガス流路９ａは、ガス供給路またはガス排出路として作用する。
【００３０】
図４に示すように、管状部９ｃをセルの貫通孔２、３内に挿入し、フランジ部９ｂをセルの壁面に対して対向させ、フランジ部９ｂのシール面をセルの主面に対向させる。フランジ部９ｂとセル壁面との間にシール材１３をはさむのと共に、フランジ部１５のシール面と主面との間にシール材１３をはさむ。本例ではフランジ部１５はガス流通部材と別体にしているが、一体にしてもよい。
【００３１】
また、第三および第四のコーナー部１８Ｃ、１８Ｄにおいては、柱状の支持部材１５とセル主面との間に接合材１４を介在させ、支持部材１５によってセル１Ａを支持している。
【００３２】
そして、セル、ガス供給部材、ガス排出部材および支持部材を上下に積層した状態を図５に示す。ここで、各ガス供給部材、排出部材および支持部材によって、隣接する二つのセル１Ａを連結している。即ち、各ガス供給部材９Ａ、排出部材９Ｂの管状部９ｃを一つのセル１Ａの貫通孔２（３）に挿入してシールし、隣のガス供給部材同士、排出部材部材同士を互いに連結する。これによって、隣接するセルのガス流路１０が気密に連結され、また機械的にも固定される。この結果、複数のガス供給部材９Ａ、排出部材９Ｂのガス流路９ａが連通し、それぞれガス供給路（またはガス排出路）を形成する。
【００３３】
また、第三および第四のコーナー部においては、セル１Ａ、接合材１４、支持部材１５がこの順番で交互に配置され、積層されている。これによって、各セルが第一−第四の各コーナー部において支持される。
【００３４】
ここで、比較のため、セルの第一および第二のコーナー部において、それぞれガス供給部材、ガス排出部材によってガスをシールしつつセルを上下方向に積層する場合について述べる。
【００３５】
図６に示すセル２１は、図１、図２のセルと同様のものである。そして、セル２１の第一のコーナー部にはガス供給部材９Ａが連結されており、第二のコーナー部にはガス排出部材９Ｂが連結されている。
【００３６】
図７は、セル２１とガス供給部材９Ａ（ガス排出部材９Ｂ）との連結状態を示す断面図である。この連結方法も、前述した本発明例と同様である。ただし、本例では、第三のコーナー部および第四のコーナー部が支持部材に接合されていない。
【００３７】
本比較例では、セル、ガス供給部材およびガス排出部材をスタックすると、図８に示す状態となる。この状態では、平板状セルを上下に多数積層したときには、セルがガス供給部材およびガス排出部材によって支持されることになる。この構造では、最も下にあるガス供給部材、排出部材に過大な応力Ｆが加わる。その上で、各セルをガス供給部材、排出部材に対して気密性シール材１３によって接合し、シールする必要があり、このために加熱および冷却工程が加わる。しかし、この加熱−冷却の際に、各セル２１に反りが生ずる。たとえば、セル２１の末端が矢印Ｄのように下方へと変形する。この結果、セル２１のガス供給部材、排出部材とのシール部分およびその周辺に曲げモーメントＥが働き、セル、シール材、ガス供給部材、排出部材に微細なクラックが入る傾向があった。すると、セルの発電性能が低下し、あるいはスタックごとのバラツキが大きくなる。
【００３８】
これに対して、本発明例では、図９に模式的に示すようになる。すなわち、セル１の第一および第二のコーナー部１８Ａ、１８Ｂはガス供給部材９Ａ（ガス排出部材９Ｂ）によって支持されており、第三および第四のコーナー部１８Ｃ、１８Ｄは支持部材１５によって支持される。この構造では、最も下にあるセルに対する応力Ｆがコーナー部に分散される。その上で、各セルが反ったときに、セルの反りによる曲げモーメントがセルの一部分に局所的に集中しにくく、局所的な割れやクラックが発生しにくい。これにより、スタックごとの性能のバラツキを低減できる。
【００３９】
第一−第四のすべてのコーナー部分について、ガス供給部材、あるいはガス排出部材を設置して、ガスの供給、排出効率を高めることも考えられる。しかし、この方法では、コーナー部分からのリークが生ずることがあった。それは、ガス供給部材とセル、ガス排出部材とセルとの間では、気密性の高いシールが必要なので、緻密質のシール材１３が必要であるが、同時に、セルの反りに対して対応する柔軟性も必要である。このような材料は少なく、このガスリークによってスタックの性能が低下することがあった。
【００４０】
本発明例では、第一および第二のコーナー部分では、セルをガス供給部材、排出部材によって支持しているが、第三および第四のコーナー部分では、あえてセルをガス供給、排出機能のない支持部材１５によって支持している。これによって、第三、第四のコーナー部分では、気密性、緻密性の高くない接合材１４を利用できる。これによって、セルの反りによる影響を第三のコーナー部、第四のコーナー部で大きく緩和することができ、かえってスタックの性能が向上する。
【００４１】
ガス供給部材、ガス排出部材の材質は、セルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高ければ特に限定されないが、セルとの熱膨張係数差が2×10-6
(/K)の材料、例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性および耐還元性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。
【００４２】
ガス供給部材、ガス排出部材とセルとの間を気密シールするシール材の材質は、電気化学セルの作動温度において耐酸化性と耐還元性を有する必要がある。具体的には、シリカを主成分とするガラス及び結晶化ガラス、金属ろうなどを例示できる。また、O リング、C リング、E リングやメタルジャケットガスケット、マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる。
【００４３】
シール材の熱膨張係数とセルの熱膨張係数との差は、3.5×１０−６ （／Ｋ）以下であることか好ましい。この観点からは、シール材の材質は、シリカを主成分とするガラスおよび結晶化ガラス，金属ろうなどを例示できる．また，Oリング，Cリング，Eリングやメタルジャケットガスケット，マイカガスケットなどのコンプレッションシールも例示できる．
【００４４】
支持部材側の接合材の材質は、発電温度で変形してセルの反りを吸収できる材料が好ましい。具体的には以下を例示できる。
（１） 発電温度付近（好ましくは発電温度±100℃以内）に軟化点がある非晶質ガラス。具体的には以下が挙げられる。
アルミノシリケートガラス，アルミノボロシリケートガラス，ホウケイ酸ガラス
（２） 発電温度付近（好ましくは発電温度±100℃以内）で軟化する金属ろう。具体的には以下が挙げられる。
ニッケルろう，貴金属ろう
【００４５】
接合材の熱膨張係数とセルの熱膨張係数との差は、4.5×１０−６ （／Ｋ）以下であることか好ましく，緻密質材料だけでなく，多孔質材料も使用できる．
【００４６】
支持部材の材質はセルを構成するセラミックスよりも機械的強度が高く、セルとの熱膨張係数差が3×10-6
(/K)以下の材料が望ましい．例えばジルコニア、マグネシア、スピネルセラミックス、さらにこれらを複合した材料などを例示できる。また、電気化学セルの作動温度において耐酸化性を有していれば金属であってもよく、純金属であっても合金であってもよいが、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金、ステライトなどのコバルト基合金が好ましい。これら支持部材は緻密質材料だけでなく，多孔質材料も使用できるため．例示したこれら材料を多孔質にしてヤング率を緻密質の1/2以下にすると，接合材だけでなく支持部材でもセルの反りを吸収することができる．
【００４７】
支持部材の材質を多孔質とする場合には、支持部材の材質の相対密度を80％以下とすることが好ましい。また、強度の点からは、支持部材の材質の相対密度は40％以上であることが好ましい。
【００４８】
隣接するガス供給部材、隣接するガス排出部材を互いに連結する方法は特に限定されず、この連結には、例えば、ガラスやセラミックス製接着剤や、機械的結合法を利用できる。また、この気密シール方法は、特に限定されないが、上記したシール材を用いることが好ましい。
【００４９】
セルのコーナー部とは、セルの主面を平面的に見たときの角（コーナー）の近傍を意味している。好適な実施形態においては、セルの角からセル長の25%の範囲内に、より好ましくはセル長の2%以内に貫通孔、支持部材接触領域の少なくとも一部が存在することを意味する。好ましくは、セルの角からセル長の50%の範囲内に、貫通孔、支持部材接触領域の全体が存在する。
ただし、セル長とは、セルを平面的に見たときの縦と横とのうち長いほうの寸法をいう。
【００５０】
ガス供給、排出の機能のない支持部材は、そのような作用がなければ、形態は特に限定されない。すなわち、横断面の外形輪郭は、円、楕円、三角形、四角形六角形などの多角形であってよい。また、支持部材の内側に空隙や貫通孔があってもよい。
【００５１】
好適な実施形態においては、セルの第三のコーナー部および第四のコーナー部に、ガス流路に連通する貫通孔がそれぞれ形成されている各支持部材が、セルの主面に対して接合材を介して接合されるフランジ部、およびセルの貫通孔に挿通される挿通部を備えており、上下方向に隣接する支持部材のフランジ部と挿通部とが互いに接合されている。
【００５２】
図１０は、この実施形態に係るスタックを示す模式図である。セルの第一および第二のコーナー部における連結状態は、図９と同じである。ただし、本例では、図１のセル１を使用しており、セルの第三および第四のコーナー部に貫通孔８が形成されているが、貫通孔８がガス流路１０に連通していない。支持部材２０は、セルの主面に対して接合材３０を介して接合されるフランジ部２０ａ、およびセルの貫通孔８に挿通される挿通部２０ｂを備えている。上下方向に隣接する支持部材２０のフランジ部２０ａと挿通部２０ｂとが互いに接合されている。
【００５３】
好適な実施形態においては、セルの第一のコーナー部に、セルのガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、第二のコーナー部に、ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、ガス供給部材および／またはガス排出部材が、貫通孔に挿通されている管状部と、セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、隣接するガス供給部材および／またはガス排出部材が互いに連結されておらず，複数のガス供給部材および／またはガス排出部材と複数のセルの第一の貫通孔とによってガス流路が形成されており、ガス供給部材および／またはガス排出部材のシール面とセルの主面との間に設けられたシール材を備えている。
【００５４】
図１１は、この実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
本例では、第三および第四のコーナー部および支持部材１５の形態は図９と同じである。しかし、第一および第二のコーナー部側では、ガス供給部材２１Ａおよびガス排出部材２１Ｂが、セルの第一の貫通孔２および第二の貫通孔３に挿通されている管状部２１ｃと、管状部２１ｃの一端に設けられているフランジ部２１ｂと、隣接するセルの貫通孔に挿通された他の管状部２１ｃとを備えている。フランジ部２１ｂと各セルとの間にシール材１３が設けられている。そして、隣接するガス供給部材（ガス排出部材）が、互いに直接は連結されておらず、セルを介して連結されている。
【００５５】
図１２の例では、セルの第一および第二のコーナー部側での連結状態は、図１１と同じであり、第三および第四のコーナー部側での連結状態は図１０と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】電気化学セル１を分解して示す斜視図である。
【図２】他の電気化学セル１Ａを分解して示す斜視図である。
【図３】セルをスタックした状態を示す斜視図である。
【図４】図３のスタックにおけるセル１Ａ、ガス供給部材（排出部材）および支持部材の連結状態を示す断面図である。
【図５】図４のセル１Ａ、ガス供給部材（排出部材）および支持部材からなるスタックを示す断面図である。
【図６】比較例におけるセル２１のスタックを示す斜視図である。
【図７】図６のセルおよびガス供給部材（排出部材）の連結状態を示す断面図である。
【図８】図７のセルおよびガス供給部材（排出部材）を連結してなるスタックを示す断面図である。
【図９】図５のスタックを模式的に示す断面図である。
【図１０】他の実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
【図１１】更に他の実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
【図１２】更に他の実施形態に係るスタックを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ 電気化学セル ２ 第一の貫通孔 ３ 第二の貫通孔 ６ 固体電解質 ７ 第二の電極 ８ 貫通孔 ９Ａ ガス供給部材 ９Ｂ ガス排出部材 ９ａ ガス供給路（ガス排出路） １３ シール材 １４ 接合材 １５ 支持部材 Ａ、Ｂ、Ｃ 第二のガス Ｆ スタックの荷重 Ｇ セルの反り
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス製板状電気化学セル、ガス供給路の設けられているガス供給部材、ガス排出路の設けられているガス排出部材および支持部材を備えており、複数の前記電気化学セルが互いに離間された状態で上下方向に向かって支持されている電気化学装置であって、
前記各電気化学セルが、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、前記電気化学セルに第一のコーナー部、第二のコーナー部、第三のコーナー部および第四のコーナー部が設けられており、前記第一のガスを流すガス流路が前記第一の電極の内部に形成されており、ガス供給孔およびガス排出孔が前記電気化学セルに設けられており、
前記各電気化学セルが前記第一のコーナー部で前記ガス供給部材によって支持され、前記第二のコーナー部で前記ガス排出部材によって支持され、前記第三のコーナー部および第四のコーナー部でそれぞれ前記支持部材によって支持され、前記ガス供給部材の前記ガス供給路および前記ガス排出部材の前記ガス排出路が前記電気化学セルの前記ガス流路と連通しており、前記支持部材が、ガス供給およびガス排出機能がない構造部材であることを特徴とする、電気化学装置。
【請求項２】
前記電気化学セルの前記第一のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、前記第二のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、前記ガス供給部材が前記第一の貫通孔に挿通されており、前記ガス排出部材が前記第二の貫通孔に挿通されており、上下方向に隣接する前記ガス供給部材が互いに気密に連結されることによって前記各ガス供給路が互いに連通しており、上下方向に隣接する前記ガス排出部材が互いに気密に連結されることによって前記各ガス排出路が互いに連通していることを特徴とする、請求項１記載の電気化学装置。
【請求項３】
前記ガス供給部材が、前記第一の貫通孔に挿通されている管状部と、前記管状部の一端に設けられている第一のフランジ部と、前記管状部の他端に設けられている第二のフランジ部とを備えており、前記第一のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第一のシール材が設けられており、前記第二のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第二のシール材が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の電気化学装置。
【請求項４】
前記ガス排出部材が、前記第二の貫通孔に挿通されている管状部と、前記管状部の一端に設けられている第一のフランジ部と、前記管状部の他端に設けられている第二のフランジ部とを備えており、前記第一のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第一のシール材が設けられており、前記第二のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第二のシール材が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の電気化学装置。
【請求項５】
前記電気化学セルの前記第一のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、前記第二のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、前記ガス供給部材が、前記貫通孔に挿通されている管状部と、前記電気化学セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、隣接する前記ガス供給部材が互いに連結されておらず，前記ガス流通部材の前記シール面と前記電気化学セルの前記一方の主面との間に設けられたシール材を備えていることを特徴とする、請求項１記載の電気化学装置。
【請求項６】
前記電気化学セルの前記第一のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、前記第二のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、前記ガス排出部材が、前記貫通孔に挿通されている管状部と、前記電気化学セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、隣接する前記ガス供給部材が互いに連結されておらず，前記ガス排出部材の前記シール面と前記電気化学セルの前記一方の主面との間に設けられたシール材を備えていることを特徴とする、請求項１または５記載の電気化学装置。
【請求項７】
前記電気化学セルの前記第三のコーナー部および前記第四のコーナー部に、前記ガス流路に連通する貫通孔が形成されておらず、前記各支持部材と前記電気化学セルの前記第三のコーナー部および前記第四のコーナー部との間にそれぞれ接合材が介在することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置。
【請求項８】
前記電気化学セルの前記第三のコーナー部および前記第四のコーナー部に、前記ガス流路に連通する貫通孔がそれぞれ形成されており、前記各支持部材が、前記電気化学セルの主面に対して接合材を介して接合されるフランジ部、および前記貫通孔に挿通される挿通部を備えており、上下方向に隣接する前記支持部材の前記フランジ部と前記挿通部とが互いに接合されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置。
【請求項１】
セラミックス製板状電気化学セル、ガス供給路の設けられているガス供給部材、ガス排出路の設けられているガス排出部材および支持部材を備えており、複数の前記電気化学セルが互いに離間された状態で上下方向に向かって支持されている電気化学装置であって、
前記各電気化学セルが、第一のガスと接触する第一の電極、固体電解質層、および第二のガスと接触する第二の電極を備えており、前記電気化学セルに第一のコーナー部、第二のコーナー部、第三のコーナー部および第四のコーナー部が設けられており、前記第一のガスを流すガス流路が前記第一の電極の内部に形成されており、ガス供給孔およびガス排出孔が前記電気化学セルに設けられており、
前記各電気化学セルが前記第一のコーナー部で前記ガス供給部材によって支持され、前記第二のコーナー部で前記ガス排出部材によって支持され、前記第三のコーナー部および第四のコーナー部でそれぞれ前記支持部材によって支持され、前記ガス供給部材の前記ガス供給路および前記ガス排出部材の前記ガス排出路が前記電気化学セルの前記ガス流路と連通しており、前記支持部材が、ガス供給およびガス排出機能がない構造部材であることを特徴とする、電気化学装置。
【請求項２】
前記電気化学セルの前記第一のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、前記第二のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、前記ガス供給部材が前記第一の貫通孔に挿通されており、前記ガス排出部材が前記第二の貫通孔に挿通されており、上下方向に隣接する前記ガス供給部材が互いに気密に連結されることによって前記各ガス供給路が互いに連通しており、上下方向に隣接する前記ガス排出部材が互いに気密に連結されることによって前記各ガス排出路が互いに連通していることを特徴とする、請求項１記載の電気化学装置。
【請求項３】
前記ガス供給部材が、前記第一の貫通孔に挿通されている管状部と、前記管状部の一端に設けられている第一のフランジ部と、前記管状部の他端に設けられている第二のフランジ部とを備えており、前記第一のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第一のシール材が設けられており、前記第二のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第二のシール材が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の電気化学装置。
【請求項４】
前記ガス排出部材が、前記第二の貫通孔に挿通されている管状部と、前記管状部の一端に設けられている第一のフランジ部と、前記管状部の他端に設けられている第二のフランジ部とを備えており、前記第一のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第一のシール材が設けられており、前記第二のフランジ部と前記電気化学セルとの間に第二のシール材が設けられていることを特徴とする、請求項２記載の電気化学装置。
【請求項５】
前記電気化学セルの前記第一のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、前記第二のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、前記ガス供給部材が、前記貫通孔に挿通されている管状部と、前記電気化学セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、隣接する前記ガス供給部材が互いに連結されておらず，前記ガス流通部材の前記シール面と前記電気化学セルの前記一方の主面との間に設けられたシール材を備えていることを特徴とする、請求項１記載の電気化学装置。
【請求項６】
前記電気化学セルの前記第一のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第一の貫通孔が形成されており、前記第二のコーナー部に、前記ガス流路と連通する第二の貫通孔が形成されており、前記ガス排出部材が、前記貫通孔に挿通されている管状部と、前記電気化学セルの一方の主面に対してシールされたシール面を有するフランジ部とを備えており、隣接する前記ガス供給部材が互いに連結されておらず，前記ガス排出部材の前記シール面と前記電気化学セルの前記一方の主面との間に設けられたシール材を備えていることを特徴とする、請求項１または５記載の電気化学装置。
【請求項７】
前記電気化学セルの前記第三のコーナー部および前記第四のコーナー部に、前記ガス流路に連通する貫通孔が形成されておらず、前記各支持部材と前記電気化学セルの前記第三のコーナー部および前記第四のコーナー部との間にそれぞれ接合材が介在することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置。
【請求項８】
前記電気化学セルの前記第三のコーナー部および前記第四のコーナー部に、前記ガス流路に連通する貫通孔がそれぞれ形成されており、前記各支持部材が、前記電気化学セルの主面に対して接合材を介して接合されるフランジ部、および前記貫通孔に挿通される挿通部を備えており、上下方向に隣接する前記支持部材の前記フランジ部と前記挿通部とが互いに接合されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の電気化学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１８２４３８（Ｐ２０１０−１８２４３８Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２４０９（Ｐ２００９−２２４０９）
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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