(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層が燃料極層と空気極層に挟まれた構造を有する電気化学反応セルが、管状構造を有する多孔質体の表面に複数、独立して形成され、独立したそれぞれの電気化学反応セルの燃料極層が隣接する電気化学反応セルの空気極層と多孔質の導電層で電気的に直列に接続され、その多孔質の導電層にガスシール層が積層されていることを特徴とする多段式電気化学反応器。
【請求項２】
電気化学反応セルの燃料極層が多孔質体に接していることを特徴とする請求項１記載の多段式電気化学反応器。
【請求項３】
多孔質体が、３０％以上５０％以下の気孔率を有し、電子絶縁性であることを特徴とする請求項１または２記載の多段式電気化学反応器。
【請求項４】
電気化学反応セルの直列方向長さが、０．０１〜５ｃｍの範囲を有することを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項記載の多段式電気化学反応器。
【請求項５】
電気化学反応セル間の距離が０．０１〜５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項記載の多段式電気化学反応器。
【請求項６】
電気化学反応セルの外径が０．２〜５ｃｍ、内径が０．１〜４．９ｃｍであることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか一項記載の多段式電気化学反応器。
【請求項７】
前記ガスシール層が珪酸塩ガラスから構成される請求項１から６のうちのいずれか一項記載の多段式電気化学反応器。
【請求項８】
請求項１から７のうちのいずれか一項の多段式電気化学反応器を用いて、３００〜７００℃で作動させることを特徴とする電気化学反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多段式電気化学反応器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池や水蒸気電気分解セル、電気化学的ＮＯｘ分解セルなどに代表される電気化学反応器において、従来、単セルをインターコネクトで接続した構造が知られている。
（特許文献１，２、非特許文献１）。
【０００３】
また、中空支持体の表面に単セルを横縞状に直列接続する電気化学反応セル構造は合金系セパレータが不要という利点を有しており、現在、実証化検討が進められている。
【０００４】
このような構造では、電極材料を支持体として用いる電極支持型電気化学反応セル構造と比べ、単セルを細分化し、細分化された単セルが短距離で直列接続された構造を有しているため、電流密度を抑えることができ、インターコネクトとセル間の接続抵抗による抵抗損失を低減させることができる。
【０００５】
横縞状の多段式電気化学反応器では、電解質膜を挟み、異種のガスをそれぞれの空間に流通させることで、発電や物質合成など種々の電気化学反応を引き起こす。
【０００６】
ただ、上記のような先行技術では、例えば電気化学反応器のうち、固体電解質形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ。）の一般的な作動温度が７００〜１０００℃以上と高温のため、単セル間を接続するインターコネクトは融点や軟化点の高い導電性セラミックス材料のみで形成しなければならなかった。
【０００７】
この場合、例えば図８に示したように、単セル間を接続するインターコネクト（図１）は緻密性かつ導電性の材料で形成されているものの、単セルおよびインターコネクト界面のガスシール性が不十分なため、理論値よりも１０〜２０％低い開回路電圧、すなわち１０〜２０％のエネルギーを損失するという問題があった。
【０００８】
また太陽光等に代表される未利用エネルギーを用いて、電気化学的な物質合成もしくは物質変換を行う試みが盛んな近年、反応効率を高めるには電解質とインターコネクトの気密性が必須であるが、接続界面におけるクロスリークは反応効率低下を招くという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−４４９８３号公報
【特許文献２】特開平８−７８０４１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】“Effect of Cathode Sheet Resistance on Segmented-in-series SOFC Power Density,” Journal of Power Sources, 164 (2007) 742-745
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これまでに、同様な構造で電気化学反応セルを多孔質基板上に横縞状に配列し、各セルを直列に接続した構造が提案されている。ＳＯＦＣ等既存の電気化学反応を効率良く進行させるためには約８００℃付近の高温作動が必要なため、接続部分を構成する材料としては、作動域でも軟化もしくは溶融せず、導電性かつ緻密性を両立、酸化および還元雰囲気でも化学的安定性の優れた導電性セラミックス材料が用いられてきた。しかしながら、このような材料は高価なものが多く、また、緻密化のプロセスが限定されるため、コストがかかるものであった。
【００１２】
それに加えて、電気化学反応セルの電極が多孔質であり、導電性セラミックス材料によって接続層を形成しても、接続層と多孔質電極の界面を完全な接着（接合）をすることが非常に困難なため、接合界面のガスシール性が不十分となる。
【００１３】
その結果、本来、電解質及び接続層により完全に分離されるべき空気極ガスと燃料極ガスが接続界面でクロスリークしてしまい、理論値よりも１０〜２０％低い開回路電圧、つまり１０〜２０％エネルギーを損失し、また、セル界面の劣化モードを促進させるなど電気化学セルの安定性を損なうといった問題があった。また、電気化学反応を利用した電気化学反応器では、クロスリークにより反応生成物の純度低下に繋がり、結果として反応効率が低くなるといった課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記のとおりの課題を解決するために、電解質層が燃料極層と空気極層に挟まれた構造を有する電気化学反応セルが、管状構造を有する多孔質体の表面に複数、独立して形成され、独立したそれぞれの電気化学反応セルの燃料極層が隣接する電気化学反応セルの空気極層と多孔質の導電層で電気的に直列に接続され、その多孔質の導電層にガスシール層が積層されていることを特徴とする多段式電気化学反応器を提供する。
【００１５】
また、これらの多段式電気化学反応器を用いて、３００〜７００℃、好ましくは５００℃〜６５０℃で作動させる反応方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電気化学反応器セルの接続構造は、横縞状に並ぶ電気化学セルを導電材料で直列に接続配線した後、該当箇所にシール材料で気密層を形成することができるため、理論的な開回路電圧からの低下を最小限におさえ、安定した運転を行うことができる利点がある。
【００１７】
また、電導材料に緻密性を求める必要がなくなるため、電導性のよい電導材料を選択できるので抵抗損失による性能低下が抑えられ、かつ電導材料の選択肢が広がり、低コストの材料の適用が可能となることから、工業的に優位であり、発電性能や電解性能に優れた電気化学反応器が提供される。
【００１８】
本発明の反応方法によれば比較的低温で効率よく電気化学反応を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明における接続構造
【図２】本発明において作製過程の基材２の構造
【図３】本発明において、導電材料層を形成した後の構造
【図４】多段式電気化学反応器の評価方法
【図５】非特許文献と本発明における１セルあたりの発電性能
【図６】本発明における発電及び電解サイクリックボルタンメトリー性能
【図７】本発明における発電及び電解サイクル性能
【図８】従来技術における接続構造
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜多段式電気化学反応器の構成＞
本発明は、多段式電気化学反応器における複数の電気化学反応セルの接続方法として導電材料とシール材料の積層構造を適用することを最も主要な特徴とする。
【００２１】
本発明に係る多段式電気化学反応器の構成について説明する。図４は、本発明に係る多段式電気化学反応器の一部を例示した概略図である。図１は、この図４に例示した多段式電気化学反応器の長手方向の一部断面図である。管状の多孔質体である基材１に燃料極層１，２と電解質層１，２、そして空気極層１、２が積層されている。
【００２２】
燃料極層１と空気極層２とが導電材料層で接続され、導電材料層はガスシール層で覆われている。このようにして電気化学反応器（セル）１と電気化学反応器（セル）２が電気的に接続され、導電材料層は空気との接触が防止され、導電材料層の酸化劣化が抑制される。図２では電気化学反応器（セル）が２個結合されているが、目的に応じて３個以上の結合が可能である。
【００２３】
例えば前記の基材１となる多孔質体の材料としては絶縁性の高い（特に電子絶縁性は必須）材料を使用する必要があり、ジルコニアやマグネシアに代表される酸化物であることが望ましい。
【００２４】
その中でも、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、イッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）、エルビア（Ｅｒ２Ｏ３）等の安定化剤で安定化された安定化ジルコニアやマグネシアなどが好適な例として挙げられる。なお、安定化ジルコニアは、その他の１種又は２種以上の安定化剤により安定化させることができ、また、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）との複合体とすることもできる。
【００２５】
例えば電解質層１、２となる電解質材料としては、高いイオン導電性を有する材料を使用することが必要であり、セリア系酸化物：Ｃｅ１−ｘＬｎｘＯ２−ｘ／２（ただし、ＬｎはＬａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｙのうち少なくとも１種類を含み、ｘが０．０５以上０．５０以下）、イットリア安定化ジルコニア酸化物：５〜１０ｍｏｌ％イットリア添加、スカンジア安定化ジルコニア酸化物：ａ  ｍｏｌ％  Ｓｃ２Ｏ３−ｂ  ｍｏｌ％  ＣｅＯ２−ｃ  ｍｏｌ％  ＺｒＯ２（ただし、ａが８以上１５以下、ｂが０以上２以下、かつａ＋ｂ＋ｃ＝１００）、ランタンガレート酸化物：Ｌａ１−ｍＳｒｍＧａ１−ｎＭｇｎＯ３（ただし、ｍが０．０５以上０．３以下、ｎが０以上０．３以下）の１種類、もしくは２種類以上の複合体であることが望ましい。
【００２６】
具体的には、水蒸気電解に対しても分解等の欠損が生じない安定化ジルコニアが特に好ましい。
【００２７】
サーメット電極材料は例えば前記燃料極層１、２として考慮することもできる。これらの材料については、前述の電解質材料とＮｉ、Ｃｕ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｔｉの元素およびこれらの元素１種類以上を含む複合体またはサーメットが好適な代表例として挙げられる。
【００２８】
具体的には、酸化還元サイクルに対して広い安定領域を有する（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ）−安定化ジルコニアが特に好ましい。
【００２９】
そして、例えば前記の空気極層１、２を構成する空気極材料としては、Ａｇ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｓｍ，Ｃａ，Ｂａ，Ｎｉ，Ｍｇの元素およびこれらの元素１種類以上を含む酸化物が好適な代表例として挙げられる。
【００３０】
具体的には、酸化反応および還元反応共に有効に作用する（ＬａＳｒ）（ＣｏＦｅ）Ｏ３系酸化物が特に好ましい。
【００３１】
また、上記空気極や燃料極の電極反応活性を向上させるために、補助材料を組み合わせることも可能である。組み合わせ方法として、燃料極電極材料中へ直接活性補助材料を混ぜ合わせる、もしくは燃料極電極と電解質の間に活性補助材料を含む中間層を挿入するなど目的に応じて適宜の方法を選択することができる。
【００３２】
なお、燃料極電極材料に直接混ぜ合わせる反応活性補助材料として、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｋ，Ｎａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｇａ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｌａの元素を少なくとも１種類以上含む金属、もしくはこれら元素を１種類以上含む酸化物であることが望ましい。空気極と電解質の間に挿入する活性層としては、空気極材料に対し、上述の電解質材料もしくは上述の反応活性補助材料のうち１種類以上を含む複合体であることが好ましい。
【００３３】
具体的には、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｆｅが特に好ましい。
【００３４】
導電材料層としては、Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｔｉ，Ｎｂの元素およびこれらの元素１種類以上を含む複合体、又は、フェライト系ステンレス、インコネル等の耐熱性合金のうち１種類以上を含む材料であることが好ましい。
【００３５】
ガスシール層としては、空気などのガスの透過率が低い材料であればよいが、ケイ酸塩ガラスは、その軟化挙動を利用することで導電材料層および電極層の気孔を封じることができるため好適な代表例となる。さらにＢ，Ｎａ，Ｋ，Ｐ等に代表される電極劣化を促進する元素を含まないケイ酸塩ガラスがより好適である。なお、当該多段式電気化学反応器の作動温度に応じて、適した構成成分を選択し、適宜軟化温度を制御することができる。
【００３６】
中でも、熱膨張係数が９×１０−６〜１２×１０−６（℃−１）の範囲、軟化温度が６００℃以上のケイ酸塩ガラスを使用することにより、残留応力破壊を防ぎ、燃料極と空気極間のクロスガスリークを１０％以下にできる。
＜多段式電気化学反応器の作製方法＞
以上のような構成を有する本発明の多段式電気化学反応器は一般的には、例えば次のような方法によって作成することができる。
【００３７】
上記多孔質体材料に、セルロース系の結合剤、炭素粉末等の気孔生成剤を加えて、水で練り、得られた塑性混合物を、押し出し成形法等を用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体に成形する。通常、管外径は２〜５ｍｍ、管内径は０．５〜４．５ｍｍである。
【００３８】
次いで、管状成形体にサーメット燃料極材料を横縞状に成膜、積層する。次にサーメット燃料極の一部を除き燃料極上に電解質材料を成膜、積層する（図２参照）。成膜方法として、ディップコート法、溶射法、インクジェット法、転写法、印刷法などが代表例として挙げられる。
【００３９】
たとえば、ディップコート成膜では、成膜しない領域をマスクし、０．１ｍｍ／ｓｅｃ〜３ｍｍ／ｓｅｃの範囲で引き上げ速度を調整することにより各層の膜厚を制御することができる。コートに用いる燃料極材料および電解質材料の粒子分散スラリーは、各層を構成する材料粉末をエタノール主溶媒とともにボールミル混合し、市販のＰＶＢバインダー、界面活性剤をさらに混合することによって調製すればよい。その他の成膜方法においても、適宜好適な方法を選択すればよい。
【００４０】
サーメット燃料極層および電解質層を積層した管状成形体を１０００℃〜１６００℃好ましくは１２００℃〜１４００℃にて焼成し、管状多孔質体を得る（図２参照）。
【００４１】
ここで、多孔質体の気孔率について説明する。管状多孔質体の開気孔率は１０％〜５０％、特に３０〜４０％が好ましい。１０％未満では気体の透過係数が不十分となり、５０％を超えると支持体としての機械的強度が不十分となる。形成される全ての電気化学反応セルが機能発現するためには、図２の基材１を原料ガス（ＳＯＦＣ用燃料極なら燃料ガス）が通過し、燃料極層で反応し、反応生成物（ＳＯＦＣ用燃料極材料なら水蒸気やＣＯ，ＣＯ２ガス）と原料ガスとがスムーズかつ連続的に相互拡散する必要がある。
【００４２】
多孔質支持体壁にはガス透過性が求められ、３０％以上の気孔率を有していることが好ましい。同時に、多孔質支持体が多段式電気化学反応器の基本骨格を形成することになるため、その強度保持を達成するためには、最大気孔率として５０％以下、特に２０〜４０％となることが好ましい。５０％を超えると支持管壁強度が不十分となる。
【００４３】
面内導電抵抗を考慮し、横縞状に形成する各セル幅としては長さが０．０１〜５ｃｍの範囲内であることが好ましく、接続抵抗削減の観点から、各セル間の距離が０．０１〜０．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００４４】
電気化学反応セル間の距離は０．０１〜５ｍｍの範囲が好ましいが、０．０１ｍｍ未満では燃料極層および電解質層、導電材料層のコーティングに高い位置精度が必要となり製造コスト高に繋がり、また５ｍｍを超えると接続部の電気抵抗増に繋がる。特には、０．５〜２ｍｍが好ましい。
【００４５】
ついで燃料極層１および予定する空気極層２間に、有機溶剤系でスラリー化した導電材料を成膜して導電層を形成し、燃料極層１および空気極層２が電気的に直列接続されるようにする（図３参照）。成膜方法としては、前述と同様に、ディップコート法、溶射法、インクジェット法、転写法、印刷法などが代表例として挙げられる。導電層１の厚みは１ミクロン以上、好ましくは１０ミクロン以上である。１０ミクロン未満では膜厚不足のため電気抵抗増に繋がる。
【００４６】
そして予定の位置に空気極層を成膜して、８００℃〜１３００℃好ましくは１０００℃〜１２００℃にて焼成する（図３参照）。成膜方法としては、前述と同様に、ディップコート法、溶射法、インクジェット法、転写法、印刷法などが代表例として挙げられる。導電層に対し、溶媒系でスラリー化したガスシール層材料を成膜し、６００℃以上、好ましくは作動予定温度以上の８００℃〜９００℃にて焼き付ける。
【００４７】
こうして、燃料極層１と空気極層２が導電材料層で電気的に接続され、ガスシール層が導電材料層を覆うように成膜、積層された積層構造からなる接続構造を有する多段式電気化学反応器を作製することができる（図１、４参照）。なお、前述しているが、サーメット燃料極層、電解質層、空気極層、導電材料層、ガスシール層の成膜方法として、ディップコーティングや印刷、転写、溶射、スプレーコート等が例示されるが、それに限定されるものではない。
【００４８】
このように、電気化学反応セルを複数直列に結合することで目的とする性能が得られる。たとえば燃料電池作動条件では、単セル電圧×直列接続数の電圧が得られる。また、電気分解反応に関しても同様に、単セル電圧×直列接続数の電圧付与により、対象物質の電気分解反応を行うことができる。
【００４９】
従来、インターコネクト層が緻密である必要があったのに対し、本発明では、導電材料層を多孔質とすることにより、導電材料が還元雰囲気になるため、合金等の金属材料を用いた場合でも酸化抑制、つまり導電材料の保護層としての効果がある。また、シール材料層は、導電材料層だけでなく、隣接する空気極層にも浸透し、空気極の一部がガスバリヤー層として機能させることができる。
【実施例】
【００５０】
以下に、実施例の詳細について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５１】
本発明では、先ず、以下の手順に従い、多孔質成形体からなる基材１（図２）を作製した。電子絶縁性セラミック材料の一種である安定化剤として３ｍｏｌ％のイットリアを添加したイットリア安定化ジルコニア（以下、３ＹＳＺと呼ぶ。）を、水および市販のエチルセルロースと混練し、加圧押出して管外径５．８ｍｍ、管内径５．０ｍｍの管状成形体を得た。管状成形体を約６ｃｍの長さに切断し、管状多孔質成形体を得た。
【００５２】
燃料極材料としてＮｉＯおよび８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（以下、８ＹＳＺと呼ぶ。）混合体を選択し、電解質材料として８ＹＳＺを選択し、材料粉末をエタノール主溶媒とともにボールミル混合し、市販のＰＶＢバインダー、界面活性剤をさらに混合することによって、それぞれの粒子分散スラリーを調製した。
【００５３】
次いで、管状成形体の成膜しない領域をマスクし、サーメット燃料極材料の粒子分散スラリーに浸漬したのちディップコート（引き上げ速度：１ｍｍ／ｓｅｃ）により燃料極層を横縞状に成膜、積層した。次にサーメット燃料極層の一部をマスクした管状成形体を、電解質材料の粒子分散スラリーに浸漬したのちディップコート（引き上げ速度：２ｍｍ／ｓｅｃ）により成膜、積層した（図２参照）。
【００５４】
サーメット燃料極層および電解質層を積層した管状成形体を１３００℃にて焼成し、多孔質体にサーメット燃料極層および電解質層を積層した基材２（多孔質基体の気孔率は３６％）を得た（図２参照）。
【００５５】
ついで燃料極層１および予定する空気極層２間に電気的に直列接続されるように金属ペースト（金属はＰｔ）を印刷塗布して導電材料層を形成した。次に、導電材料層上の空気極層を印刷塗布して、導電材料層および空気極層を１０００℃にて焼成した。ついで、電極層の一部も含め導電材料層を覆うように、ガスシール層を印刷塗布し、８５０℃で焼き付けることで、管状二段式電気化学反応器（図１参照）を得た。
【００５６】
サーメット燃料極層、電解質層、および空気極層の膜厚はそれぞれ１００ミクロン、１０ミクロン、５０ミクロンであった。導電層の熱膨張係数は約１１×１０−６（℃−１）かつ面積抵抗は３００（ｍΩ／ｃｍ２）であった。
【００５７】
シール層の熱膨張係数は１０．５×１０−６（℃−１）、軟化温度は約７００℃であった。
＜比較例１＞
【００５８】
実施例１と同様の手法にて、多孔質基体管上に、サーメット燃料極層および電解質層、導電材料層、空気極層を成膜、焼成し得られたサンプルの様子を図３に示す。実施例１で得られる図１と比べ、比較例１ではガスシール層が成膜されていない。
【実施例２】
【００５９】
次に、実施例１および比較例１により作製した多段式電気化学反応器の電気化学的評価結果について述べる。
【００６０】
接続部のガスリークの程度を判断する手法の一つに、ＳＯＦＣモードで評価し、理論開回路電圧からの低下量を把握するものがある。今回は、図４に示すように、管内に室温加湿水素を流量２０ｃｃ／ｍｉｎで、管外には空気を１００ｃｃ／ｍｉｎで供給し、末端の燃料極層と空気極層に電位線を接続して、５５０℃および６００℃で電気化学的評価を行った。
【００６１】
なお、接続部のシール性を評価しやすくするために、５直列電気化学セルとし、実施例、比較例ともに接続部が４箇所含まれている。
【００６２】
燃料極および空気極へ所定のガスを流通させ、室温から５５０℃への昇温過程で計測した燃料極の還元時における開回路電圧変化を表１にまとめた。既存技術を用いた比較例１では、最大で２．４Ｖであり、かつ、約１００分あたりから電圧の乱れも生じた。
【００６３】
それに対し、実施例１の場合、昇温とともに順調に開回路電圧が上昇し、５００℃付近で最大の開回路電圧５．５５Ｖ（１セルあたり１．１１Ｖ）に到達し、表１に示したように、５５０℃では開回路電圧５．４５Ｖ（１セルあたり１．０９Ｖ）で安定した。
【００６４】
【表１】
0005916013.tif 000002
理論的な開回路電圧は５００℃では１．１２Ｖ、５５０℃では１．１１Ｖなため、ガスシール層の付与により大幅にガスリークが改善されたことが分かる。また、先行比較例の開回路電圧でも、図５に見られるように、１セルあたりの開回路電圧は１Ｖ以下であり、ガスシールが不完全であることから、本発明のセル信頼性の向上効果が明白である。
【００６５】
実施例１の５段直列接続セルについて、６００℃にて計測した電流−電圧曲線を図５に示すが、１セルあたりの開回路電圧約１．１Ｖから電流密度の増加に伴って発電出力密度が上昇し、０．１２５Ａ／ｃｍ２で最大となる出力密度９０ｍＷ／ｃｍ２を得た（先行比較例では、最大７０ｍＷ／ｃｍ２）。
【実施例３】
【００６６】
実施例１により作製した多段式電気化学反応器の水蒸気電解特性について述べる。
【００６７】
実施例２と同様の評価セッティングをし、管内に室温加湿水素を流量５０ｃｃ／ｍｉｎで、管外には空気を１００ｃｃ／ｍｉｎで供給し、末端の燃料極層と空気極層に電位線を接続して、６００℃で発電及び電解サイクリックボルタンメトリー評価を行った。なお、実施例２と同様に、接続部のシール性を評価しやすくするために、５直列電気化学セルとした。
【００６８】
図６に示すように、開回路電圧５．４Ｖを境界に、５．４Ｖ以下の電位では発電が、５．４Ｖ以上の電位では水蒸気分解反応が理想的に作動している。理論的な開回路電圧が６００℃では５．５Ｖなのに対し、作製した５段直列接続セルでは５．４Ｖが得られ、本発明のセル信頼性の向上効果が現れている。
【００６９】
さらに、６００℃にて計測した発電及び電解サイクリックボルタンメトリーを１００サイクル繰り返した電流および電圧の時間変化を図７に示す。初期から約１０サイクル経過後に電流密度が安定し、発電モード及び電解モードともに５．４Ｖを境界に安定した性能を得ることに成功した。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上詳述したように、本発明は、多孔質基材上に横縞状で形成された電気化学セルを導電材料層及びシール層の積層構造にて直列接続した多段式電気化学反応器に係わるものであり、本発明記載の製造方法にて電気化学反応器の高効率化が実現できる。
【００７１】
横縞状に形成する各セル幅として０．０１〜５ｃｍの範囲、また接続抵抗削減の観点から、各セル間の距離を０．０１〜０．５ｍｍの範囲とすることで従来技術よりも低温作動化が行えると同時に、材料系およびセル構造の最適化によってさらなる高性能電気化学反応器の実現が可能となる。本発明は、固体酸化物燃料電池等の電気化学反応システムに関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。
【図５】
0005916013.tif 000003
【図６】
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【図７】
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【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８】
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