(57)【要約】【課題】熱交換効率が向上され、また側面部に設けられるシール材の破損も抑制可能な固体酸化物形電気化学セルスタック構造体を提供する。【解決手段】固体酸化物形電気化学セルスタック構造体は、複数のセルスタックと、これらのセルスタック間に配置された平板状熱交換器とを有する。それぞれのセルスタックは、複数の平板状固体酸化物形電気化学セルが積層されて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平板状固体酸化物形電気化学セルが積層された複数のセルスタックと、
前記セルスタック間に配置された平板状熱交換器と
を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記セルスタックを３個以上有し、それぞれのセルスタック間に前記平板状熱交換器が配置されている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記セルスタックは、前記平板状固体酸化物形電気化学セルを２０個以下有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記セルスタックは、互いに独立して側面部がガラスを含む側面部シール材により覆われている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項５】
請求項４記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記ガラスは、８００℃以下で固体の高融点結晶化ガラスである固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記平板状熱交換器と前記セルスタックとが直接積層されている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記平板状熱交換器と前記セルスタックとが金属箔を介して積層されている固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項８】
請求項７記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記金属箔は、ステンレスからなる固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体において、
前記平板状熱交換器は、内部に電気化学的方法により形成された熱輸送媒体の流路を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項記載の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体が固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）から選ばれる少なくとも一方として機能する水素電力貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学装置として、電解質の両主面に１対の電極を有する平板状の電気化学セルがセパレータを介して複数積層されたものが知られている。このような電気化学装置は、例えば、各電気化学セルにおける一方の電極に空気等の酸化剤が供給され、他方の電極に水素等の還元剤が供給され、これらが電気化学的に反応することで燃料電池として用いられる。
【０００３】
電気化学装置の中でも電解質として固体酸化物を用いたものは、運転温度が７００〜１０００℃と高いことから、他の電解質を用いたものと比べて以下の特徴を有する。すなわち、水素以外にも、一酸化炭素を燃料として用いることができる。また、内部でガス改質できることから、改質器が不要となる。さらに、排出ガス等の高温の排熱を利用してガスタービン発電機や蒸気タービン発電機を動かすことで、高い発電効率が期待できる。
【０００４】
一般に、電気化学装置では、発電効率等の観点から、酸化剤、還元剤等の反応ガスが電気化学セルにおいてのみ反応し、これ以外の部分で、混合または反応しないことが求められる。電気化学セル以外での混合および反応を抑制するために、反応ガスの流路や電気化学セル周辺部からの反応ガスの漏れを抑制することが求められる。また、電気化学装置から外部である大気等への反応ガスの漏れを抑制することが求められる。
【０００５】
反応ガスの漏れを抑制するために、電気化学セルとセパレータとの間にシール材が設けられる。シール材には、電気化学セルと適切に密着し、また温度変化に伴って発生する各部の内部応力またはゆるみを吸収することが求められる。シール材の材料として、ガラスの他、マイカおよびバーミキュライト等の層状あるいは高温膨張性のある鉱物（例えば、特許文献１参照）、セパレータまたは固体電解質と同等の熱膨張収縮特性を有する材料（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２２８１７１号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０９２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、電解質として固体酸化物を用いた電気化学装置、具体的には、固体酸化物形燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)または固体酸化物形電解セル(SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell)を、水素電力貯蔵システムに用いることが検討されている。水素電力貯蔵システムは、例えば、太陽光や風力発電等の出力変動が大きい再生可能エネルギーを使って水の電気分解により水素を製造して貯蔵しておき、必要時に水素を燃料として燃料電池発電を行う。
【０００８】
このような水素電力貯蔵システムでは、水素製造が吸熱反応となり、発電反応が発熱反応となる。従って、水素製造時に電気化学装置に熱を供給し、発電反応時に電気化学装置から熱を取り出すことで、水素電力貯蔵システムを高効率化できる。このような場合、電気化学装置に熱交換手段を設けることが必要となる。
【０００９】
しかし、単に複数の電気化学セルの積層方向における両端部に熱交換手段を設けた場合、積層方向における中央部と両端部との温度差が大きくなり、必ずしも熱交換効率が高くならない。特に、多数の電気化学セルの積層方向における両端部に熱交換手段を設けた場合、熱交換効率が高くならない。また、反応ガスの漏れを抑制する観点から、電気化学セルとセパレータとの間に加えて、これらの側面部を覆うようにシール材を設けることが好ましいが、複数の電気化学セルとセパレータとの側面部の全体を覆うように連続してシール材を設けた場合、個々の部品の熱膨張差および位置ずれ等によってシール材が破損しやすい。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、熱交換効率が向上され、また側面部に設けられるシール材の破損も抑制可能な固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の固体酸化物形電気化学セルスタック構造体は、複数のセルスタックと、これらのセルスタック間に配置された平板状熱交換器とを有する。それぞれのセルスタックは、複数の平板状固体酸化物形電気化学セルが積層されて構成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、熱交換効率が向上され、また側面部に設けられるシール材の破損も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の積層構造の一例を模式的に示す図。
【図２】固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の他の積層構造を模式的に示す図。
【図３】積層方向の一端部に平板状熱交換器を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の積層構造を模式的に示す図。
【図４】積層方向の両端部に平板状熱交換器を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の積層構造を模式的に示す図。
【図５】固体酸化物形電気化学セルを有する積層単位の一例を示す分解断面図。
【図６】端部カバーが設けられた電気化学セルの一例を示す断面図。
【図７】平板状熱交換器の一例を示す断面図。
【図８】金属箔を介したセルスタックと平板状熱交換器との積層方法の一例を模式的に示す図。
【図９】側面部シール材を有する固体酸化物形電気化学セルスタック構造体の一例を模式的に示す図。
【図１０】水素電力貯蔵システムの一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、固体酸化物形電気化学セルスタック構造体および水素電力貯蔵システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、固体酸化物形電気化学セルスタック構造体を単に構造体と記す。
【００１５】
図１は、実施形態の構造体の積層構造の一例を示す模式図である。
構造体１０は、複数のセルスタック１１と、これらのセルスタック１１間に配置された平板状熱交換器１２とを有する。それぞれのセルスタック１１は、複数の平板状固体酸化物形電気化学セル１３が積層されて構成される。なお、平板状固体酸化物形電気化学セル１３は、実際には図示しないセパレータ等を介して積層される。以下の説明では、平板状固体酸化物形電気化学セル１３を単に電気化学セル１３と記す。
【００１６】
セルスタック１１間に平板状熱交換器１２を配置することで、積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。特に、構造体１０の全体として多数の電気化学セル１３が積層される場合、これらの電気化学セル１３を２以上の部分（セルスタック１１）に分割して、これらの間に平板状熱交換器１２を配置することで、例えば、積層方向における両端部にのみ平板状熱交換器を配置する場合と比べて、積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。
【００１７】
構造体１０は、少なくとも２個のセルスタック１１と、これらのセルスタック１１間に配置される１個の平板状熱交換器１２とを有していればよいが、例えば、図２に示すように、セルスタック１１を３個以上有し、それぞれのセルスタック１１間に平板状熱交換器１２を有することが好ましい。セルスタック１１の個数を多くすることで、さらに積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。
【００１８】
セルスタック１１の個数の上限は必ずしも限定されず、構造体１０における全ての電気化学セル１３の個数、積層方向における温度差等を考慮して適宜選択できる。一般に、セルスタック１１の個数が少なくなると、それぞれのセルスタック１１における電気化学セル１３の個数が多くなることから、積層方向における温度差が大きくなる。従って、構造体１０における全ての電気化学セル１３の個数等に応じて、それぞれのセルスタック１１における電気化学セル１３の個数が過度に多くならないように、それぞれのセルスタック１１の個数を決定することが好ましい。
【００１９】
なお、構造体１０における全ての電気化学セル１３の個数は、必ずしも限定されないが、９個以上が好ましく、１５個以上がより好ましく、３０個以上がさらに好ましい。また、構造体１０における全ての電気化学セル１３の個数の上限は、必ずしも制限されないが、１００個以下が好ましい。
【００２０】
それぞれのセルスタック１１は、２個以上の電気化学セル１３が積層されて構成される。このようなセルスタック１１間に平板状熱交換器１２を配置することで、積層方向における温度差を小さくして熱交換効率を向上できる。
【００２１】
それぞれのセルスタック１１における電気化学セル１３の個数は、２個以上であれば必ずしも制限されないが、３個以上が好ましく、４個以上がより好ましく、５個以上がさらに好ましい。セルスタック１１における電気化学セル１３の個数を多くすることで、セルスタック１１の個数を低減して、平板状熱交換器１２の個数が過度に増加することを抑制できる。
【００２２】
また、それぞれのセルスタック１１における電気化学セル１３の個数の上限は、必ずしも制限されないが、積層方向における温度差を小さくする観点から、２０個以下が好ましく、１５個以下がより好ましく、１０個以下がさらに好ましい。なお、それぞれのセルスタック１１における電気化学セル１３の個数は、必ずしも一定である必要はなく、互いに同一でも異なってもよい。
【００２３】
なお、構造体１０においては、複数の電気化学セル１３が積層されたセルスタック１１と平板状熱交換器１２とが必ずしも厳密に交互に積層されている必要はない。例えば、構造体１０は、一部にセルスタック１１を構成しない単独の電気化学セル１３を有してもよい。この場合、一部の平板状熱交換器１２については、一方の主面または両主面に単独の電気化学セル１３が配置される。構造体１０は、このように一部に単独の電気化学セル１３を有することができるが、単独の電気化学セル１３の個数は全ての電気化学セル１３の個数の１０％以下が好ましく、単独の電気化学セル１３を有しないことがより好ましい。すなわち、構造体１０は、複数の電気化学セル１３が積層されたセルスタック１１と、平板状熱交換器１２とから構成されることがより好ましい。
【００２４】
また、構造体１０は、セルスタック１１間に配置されない平板状熱交換器１２を有してもよい。例えば、図３に示すように、積層方向の一端部に平板状熱交換器１２が配置されてもよいし、図４に示すように、積層方向の両端部に平板状熱交換器１２が配置されてもよい。
【００２５】
次に、電気化学セル１３の具体的構成について説明する。
図５は、電気化学セル１３を有する積層単位の一例を示す分解断面図である。
【００２６】
電気化学セル１３は、例えば、水素等の還元剤と酸素等の酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーと水蒸気とを得る、または一方の電極で水蒸気等を電気分解により還元して、他方の電極で酸素イオンを放出するものである。
【００２７】
電気化学セル１３は、平板状を有するものであって、例えば、支持基材である水素極多孔質基材１３１の片面に、燃料極１３２、電解質膜１３３、および空気極１３４をこの順に有する。すなわち、電気化学セル１３は、電解質膜１３３と、電解質膜１３３の一方の主面に設けられる空気極１３４と、電解質膜１３３の他方の主面に設けられる燃料極１３２とから主として構成される。
【００２８】
電解質膜１３３は、電子絶縁性とイオン伝導性とを有する固体酸化物から構成される。また、電解質膜１３３は、ガスリークが実質的に無視できる程度の稠密に構成される。電解質膜１３３の構成材料としては、公知の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）における電解質膜の構成材料を特に制限なく用いることができる。例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物等のイオン伝導性を有するセラミックス材料が挙げられる。なお、電解質膜１３３の構成材料は、これらに限定されない。電解質膜１３３の厚さは、必ずしも制限されないが、機械的強度および発電特性の観点から、５〜５００μｍが好ましい。
【００２９】
燃料極１３２の構成材料としては、公知の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）における燃料極の構成材料を特に制限なく用いることができる。例えば、金属触媒と、イオン伝導性を有するセラミックス材料からなる粉末との混合物またはその複合粉末が挙げられる。
【００３０】
金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルト、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定であって水素酸化活性を有する材料が挙げられる。イオン伝導性を有するセラミックス材料としては、蛍石型構造またはペロブスカイト型構造を有するものが挙げられる。蛍石型構造を有するものとしては、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物等が挙げられる。ペロブスカイト型構造を有するものとしては、例えば、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物が挙げられる。上記セラミックス材料は、１種を単独でまたは２種以上を混合して用いることができる。また、燃料極１３２は、金属触媒を単体で用いることもできる。燃料極１３２の厚さは、必ずしも制限されないが、機械的強度および発電特性の観点から、１０〜１０００μｍが好ましい。
【００３１】
空気極１３４の構成材料としては、公知の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）における空気極の構成材料を特に制限なく用いることができる。例えば、ペロブスカイト型構造等を有するコバルト、鉄、ニッケル、クロム、またはマンガン等の金属酸化物を用いることができる。具体的には、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３等が挙げられる。上記セラミックス材料は、１種を単独でまたは２種以上を混合して用いることができる。空気極１３４の厚さは、必ずしも制限されないが、機械的強度および発電特性の観点から、１０〜１０００μｍが好ましい。
【００３２】
電気化学セル１３の周囲には、例えば、枠状のセルホルダー１４が設けられる。また、電気化学セル１３の積層方向の両側には、集電材１５を介してセパレータ１６が配置される。これらの電気化学セル１３、セルホルダー１４、１対の集電材１５、および１対のセパレータ１６からなる部分により１つの積層単位２０が構成され、このような積層単位２０が複数積層されてセルスタック１１が構成される。
【００３３】
セルホルダー１４は、電気化学セル１３の支持等のために設けられる。セルホルダー１４の構成材料は、運転時に反応ガスや周辺部材と反応しない安定な材料が好ましく、例えば、金属、ガラス、セラミックス等が好ましい。セルホルダー１４の厚みは、電気化学セル１３の厚みと略同様が好ましい。
【００３４】
図示しないが、電気化学セル１３とセルホルダー１４との間には充填材を設けることが好ましい。電気化学セル１３とセルホルダー１４との間に充填材を設けることで、電気化学セル１３とセルホルダー１４との間から反応ガスが漏れ込むクロスリークを抑制できる。充填材としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から８００℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。電気化学セル１３とセルホルダー１４との間への充填材の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。
【００３５】
集電材１５は、電気化学セル１３とセパレータ１６との間に配置される。燃料極１３２と燃料極側のセパレータ１６との間に配置される集電材１５は、例えば、ニッケル、銀、または白金等の金属により構成される多孔質体が好ましい。また、空気極１３４と空気極側のセパレータ１６との間に配置される集電材１５は、例えば、耐酸化表面処理を施したニッケルやステンレス等の一般的な金属、または、金、銀、または白金等の耐酸化性を有する金属により構成される多孔質体が好ましい。
【００３６】
セパレータ１６は、電気化学セル１３の両側に配置される。すなわち、電気化学セル１３は、セパレータ１６を介して他の電気化学セル１３または平板状熱交換器１２に積層される。セパレータ１６の電気化学セル１３との対向面には、ガス供給溝１６１が設けられる。ガス供給溝１６１は、例えば、複数が直線状に設けられる。反応ガスは、このようなガス供給溝１６１を通して電気化学セル１３に供給される。
【００３７】
また、ガス供給溝１６１間の頂部が集電材１５を介して電気化学セル１３に密着して電気的に接続され、電気化学セル１３への電力の供給、または電気化学セル１３からの電力の取り出しが行われる。セパレータ１６の構成材料は、導電性を有し、運転時に反応ガスや周辺部材と反応しない安定な材料が好ましい。なお、セパレータ１６としては、図示しないが、電気化学セル１３への反応ガスの供給、および電気化学セル１３からの反応ガスの排出を行うガスマニホールドを有するものであってもよい。
【００３８】
電気化学セル１３、集電材１５、およびセパレータ１６の相互の密着は、図示しないが、例えば、これらの部材の周囲にこれらを積層方向に貫通するような複数の孔部を設けるとともに、これらの孔部にボルトを挿入して積層方向に締め付けることで行われる。この際、上記したようにセパレータ１６がガスマニホールドを有する場合、この孔部とガスマニホールドとを一体化してもよい。
【００３９】
セルホルダー１４とセパレータ１６との間には、気密性を確保するために層間シール材１７を設けることが好ましい。層間シール材１７は、セルホルダー１４とセパレータ１６との間において周方向の全体に設けることが好ましい。層間シール材１７としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から８００℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。セルホルダー１４とセパレータ１６との間への層間シール材１の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。
【００４０】
なお、図示しないが、層間シール材１７による接着を確実にするために、セルホルダー１４またはセパレータ１６における層間シール材１７が設けられる位置に、層間シール材１７を溜めるためのシール材用溝を設けることが好ましい。また、セパレータ１６は、層間シール材１７との接触面を平滑にして密着性および気密性を向上させる観点から、層間シール材１７が配置されるガス供給溝１６１を少なくとも覆うような溝カバー１６２を有することが好ましい。
【００４１】
層間シール材１７の幅は、セルホルダー１４とセパレータ１６との間の気密性を確保できれば必ずしも制限されないが、セルホルダー１４の幅と同程度が好ましい。シール材１７の幅をセルホルダー１４の幅と同程度とすることで、良好な気密性を得ることができる。
【００４２】
なお、電解質膜１３３の大きさに比べて空気極１３４の大きさが小さい場合、空気極１３４の周囲には一定の幅で電解質膜１３３が露出する。すなわち、空気極１３４の周囲には、反応に関与しない稠密層が露出する。この場合、電解質膜１３３に対して空気極１３４側となるシール材１７の幅（ｗ１）については、セルホルダー１４の幅（ｗ２）以上で、セルホルダー１４の幅（ｗ２）と稠密層の幅（ｗ３）とを足し合わせた幅以下（ｗ２≦ｗ１≦ｗ２＋ｗ３）とすることで、さらに気密性が良好となる。
【００４３】
電気化学セル１３、セルホルダー１４、集電材１５、および層間シール材１７は、気密性および電気的接触を良好にする観点から、以下の条件を満たすことが好ましい。すなわち、構造体１０の運転時の状態で、電気化学セル１３（水素極多孔質基材１４１、水素極１４２、電解質膜１４３、および酸素極１４４）およびその積層方向の両側に配置される１対の集電材１５の合計した厚みと、セルホルダー１４および１対の層間シール材１７の合計した厚みとがほぼ同じであることが好ましい。
【００４４】
また、集電材１５および層間シール材１７から選ばれる少なくとも一方は、構造体１０の組立時の締め付け圧力に応じて収縮し、気密性および電気的接触の確保についてある程度のロバスト性を与えることが好ましい。このような集電材１５として、例えば、金、銀製のメッシュもしくはフェルト、またはパンチングメタルを適当な厚みとなるように重ねたものが挙げられる。また、集電材１５としては、接触抵抗を低減する観点から、運転時に膨張または伸張する材料からなるものが好ましい。このような材料としては、例えば、電極と同様の金属または耐酸化性を有する金属（例えば、金、銀等）のペーストと、発泡性材料（シラスバルーン、パーライト、フライアッシュ等）とを混合したものが挙げられる。発泡性を有する物質の混合割合は、材料全体中、１〜２０質量％が好ましく、５〜１０質量％がより好ましい。
【００４５】
図６に示すように、電気化学セル１３とセルホルダー１４との間には、電気化学セル１３の端部の上下面および側面の３面を覆う端部カバー１８を設けることができる。この端部カバー１８の端部の平滑性や厚みの均一性を電気化学セル１３よりも厳密に調整することで、電気化学セル１３の端部の平滑性や厚みの影響を抑制して、より高いロバスト性を与えることができる。端部カバー１８の構成材料は、セルホルダー１４の構成材料と同様、運転時に反応ガスや周辺部材と反応しない安定な材料が好ましく、例えば、金属、ガラス、セラミックス等が好ましい。
【００４６】
電気化学セル１３と端部カバー１８との間には、充填材１９を設けることが好ましい。これらの間に充填材２１を設けることで、クロスリークを抑制できる。また、図示しないが、セルホルダー１４と端部カバー１８との間には充填材を設けることが好ましい。セルホルダー１４と端部カバー１８との間に充填材を設けることで、クロスリークをさらに抑制できる。
【００４７】
電気化学セル１３と端部カバー１８との間に設けられる充填材１９、セルホルダー１４と端部カバー１８との間に設けられる充填材としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から８００℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。電気化学セル１３と端部カバー１８との間、セルホルダー１４と端部カバー１８との間への充填材の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。
【００４８】
平板状熱交換器１２は、セルスタック１１との限られた接触面において効率的に熱交換して構造体１０を小型化する観点から、窒素ガス等の熱輸送媒体との伝熱面積が大きい構造を有することが好ましい。平板状熱交換器１２としては、例えば、図７に示すような熱輸送媒体のための管状の流路１２１を内部に有するものが好ましい。流路１２１の断面形状は、熱交換できれば必ずしも制限されず、円形状、四角形状等とできる。また、流路１２１の平面形状は、熱交換できれば必ずしも制限されず、直線状、蛇行状等とでき、その本数や配置についても適宜決定できる。このような流路１２１は、微細な加工が容易なことから、ステンレス等の金属材料にエッチング等の電気化学的方法により形成したものが好ましい。
【００４９】
セルスタック１１と平板状熱交換器１２とは、直接積層されてもよいし、図８に示すように金属ガスケット等の金属箔２１を介して積層されてもよい。金属箔２１を介して積層することで、金属箔２１の塑性変形により両者間の熱抵抗を低減できるとともに、変形許容性を向上させてセルスタック１１の気密性の低下に繋がる応力を緩和できる。金属箔２１の構成材料は、ステンレス等が好ましいものとして挙げられる。また、金属箔２１の厚みは、０．０５〜０．１ｍｍが好ましい。
【００５０】
図９に示すように、それぞれのセルスタック１１の側面部には、セルスタック１１毎に側面部を覆うように側面部シール材２２を設けることが好ましい。側面部シール材２２を設けることで、さらに気密性を良好にできる。また、セルスタック１１毎に側面部シール材２２を設けることで、例えば、構造体１０の全てのセルスタック１１の側面部に連続して設ける場合に比べて、連続する領域を小さくして、個々の部品の熱膨張差および位置ずれ等の影響を低減することで、損傷を抑制できる。さらに、構造体１０における積層単位２０の層数に比べてそれぞれのセルスタック１１における積層単位２０の層数が少ないことから、セルスタック１１毎に側面部シール材２２を設けることで、側面部シール材２２を設ける作業が容易となる。
【００５１】
側面部シール材２２は、それぞれのセルスタック１１について、そこに含まれる全ての積層単位２０の側面部を覆うように設けることが好ましい。例えば、１対のセパレータ１６間にセルホルダー１４に囲まれるようにして電気化学セル１３が配置された積層単位２０の場合、１対のセパレータ１６の側面部とセルホルダー１４の側面部とに跨るように側面部シール材２２を設けることが好ましく、さらに同一のセルスタック１１における隣接する他の積層単位２０の側面部に跨るように設けることが好ましい。
【００５２】
なお、セパレータ１６の側面部に反応ガスの供給または排出のための孔部等が設けられる場合、この孔部等を除くように側面部シール材２２を設ける。また、側面部シール材２２の形成範囲は、必ずしもセルスタック１１の側面部だけに限定されず、隣接する平板状熱交換器１２の側面部の一部に形成されていてもよい。
【００５３】
側面部シール材２２としては、ガラスが好ましく、特に長期耐久性の観点から８００℃以下で固体の高融点結晶化ガラスが好ましい。また、充填材としては、このようなガラスと、運転温度において該ガラスおよび周辺部材と反応せずかつ溶融または軟化しないセラミックスおよびガラスから選ばれる少なくとも一方の無機系粉末とを含むものが挙げられる。側面部への側面部シール材２２の形成は、例えば、上記成分を含むペーストを塗布し、運転温度またはこれを超える温度とすることにより行われる。
【００５４】
以上、構造体１０について説明したが、構造体１０は、層間シール材１７の代わりに、または層間シール材１７とともに、無機系ガスケットを用いるものでもよい。無機系ガスケットとしては、例えば、層間シール材１７と略同様の枠状形状を有するものが挙げられる。無機系ガスケットとしては、例えば、バーミキュライト等を含有しシート状に成形された材料が挙げられる。
【００５５】
層間シール材１７の代わりに無機系ガスケットを用いる場合、層間シール材１７の代わりにセルホルダー１４とセパレータ１６との間に配置する。また、層間シール材１７とともに無機系ガスケットを用いる場合、層間シール材１７とセパレータ１６との間に無機系ガスケットを配置する。無機系ガスケットを用いた場合、構造体１０（積層単位２０）の組立後の解体が容易となる。特に、層間シール材１７と無機系ガスケットとを併用することで、構造体１０（積層単位２０）の組立後の解体が容易となるとともに、気密性および電気絶縁性が向上する。
【００５６】
構造体１０は、必要に応じて外部マニホールド等を装着し、固体酸化物形燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)および固体酸化物形電解セル(SOEC：Solid Oxide Electrolysis Cell)から選ばれる少なくとも一方として機能する電気化学装置として好適に用いられる。例えば、電気化学装置は、ＳＯＦＣまたはＳＯＥＣとしてのみ機能するものでもよいし、ある時はＳＯＦＣとして機能し、別な時はＳＯＥＣとして機能するものでもよい。また、電気化学装置は、全てのセルスタック１１が同時にＳＯＦＣまたはＳＯＥＣとして機能するものでもよいし、一部のセルスタック１１がＳＯＦＣとして機能すると同時に、他のセルスタック１１がＳＯＥＣとして機能するものでもよい。
【００５７】
電気化学装置としては、水素製造システムに用いられるものが好ましく、水素電力貯蔵システムに用いられるものがより好ましい。水素電力貯蔵システムは、例えば、太陽光や風力発電等の出力変動が大きい再生可能エネルギーを使って水の電気分解により水素を製造して貯蔵しておき、必要時に水素を燃料として燃料電池発電を行う。水素電力貯蔵システムでは、例えば、電気化学装置をＳＯＥＣとして機能させて水の電気分解により水素を製造し、また電気化学装置をＳＯＦＣとして機能させて水素を用いて燃料電池発電を行う。また、水素電力貯蔵システムでは、水素製造が吸熱反応となり、発電反応が発熱反応となる。従って、ＳＯＥＣとして機能する電気化学装置に熱を供給し、ＳＯＦＣとして機能する電気化学装置から熱を取り出すことで、水素電力貯蔵システムを高効率化できる。このような電気化学装置に構造体１０を適用することで、水素電力貯蔵システムをより高効率化できる。水素製造システムにおいても、吸熱反応の熱を効果的に供給することで、より高効率化できる。
【００５８】
図１０は、水素電力貯蔵システムの一例を示す構成図である。
水素電力貯蔵システム３０は、電気化学装置３１、水素貯蔵タンク３２、およびこれらを接続する配管３３、３４を有する。
【００５９】
電気化学装置３１は、構造体１０を有する。なお、この電気化学装置３１は、ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣの両機能を有する。すなわち、電気化学装置３１は、発電モードと電解モードの運転ができる電力／水素変換装置である。
【００６０】
水素貯蔵タンク３２は、電気化学装置３１によって製造された水素を貯蔵するとともに、必要に応じて電気化学装置３１の燃料電池発電に水素を供給する。電気化学装置３１から水素貯蔵タンク３２への水素の輸送は配管３３を通して行われる。また、水素貯蔵タンク３２から電気化学装置３１への水素の輸送は配管３４を通して行われる。
【００６１】
水素電力貯蔵システム３０では、例えば、太陽光や風力発電等の出力変動が大きい再生可能エネルギーを使って電気化学装置３１によって水の電気分解により水素を製造する。この際、電気化学装置３１の平板状熱交換器１２を通して熱を供給することで、水素の製造効率を向上させることができる。一方、燃料電池発電時には、電気化学装置３１の平板状熱交換器１２を通して熱を取り出し、他の装置等において蓄熱しておくか、または熱を有効利用できる。
【００６２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
１０…固体酸化物形電気化学セルスタック構造体、１１…セルスタック、１２…平板状熱交換器、１３…平板状固体酸化物形電気化学セル、１４…セルホルダー、１５…集電材、１６…セパレータ、１７…層間シール材、１８…端部カバー、２０…積層単位、２１…金属箔、２２…側面部シール材、３０…水素電力貯蔵システム、３１…電気化学装置、３２…水素貯蔵タンク、３３，３４…配管、１２１…流路、１３１…水素極多孔質基材、１３２…燃料極、１３３…電解質膜、１３４…空気極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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