(57)【要約】【課題】従来に比べて高性能化及び高効率化を図ることのできる電気化学セルを提供する。【解決手段】イオン伝導体である固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に形成された第１多孔質電極層と、固体電解質層の他方の面に形成された第２多孔質電極層と、固体電解質層、第１多孔質電極層、第２多孔質電極層を支持するための導電性多孔質支持体を備え、導電性多孔質支持体の表面とガスが接触した状態で流通するガス流通路が設けられた電気化学セルであって、導電性多孔質支持体が気孔率の異なる部分を有し、かつ、気孔率の異なる部分が、ガス流通路のガス流通方向の上流側で気孔率が低く下流側で気孔率が高くなっている。【選択図】図１
2011017055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導体である固体電解質層と、
前記固体電解質層の一方の面に形成された第１多孔質電極層と、
前記固体電解質層の他方の面に形成された第２多孔質電極層と、
前記固体電解質層、第１多孔質電極層、第２多孔質電極層を支持するための導電性多孔質支持体を備え、前記導電性多孔質支持体の表面とガスが接触した状態で流通するガス流通路が設けられた電気化学セルであって、
前記導電性多孔質支持体が気孔率の異なる部分を有し、かつ、前記気孔率の異なる部分が、前記ガス流通路のガス流通方向の上流側で気孔率が低く下流側で気孔率が高くなっていることを特徴とする電気化学セル。
【請求項２】
請求項１記載の電気化学セルであって、
前記導電性多孔質支持体が、前記固体電解質層、前記第１多孔質電極層、前記第２多孔質電極層の１００倍以上の厚さを有することを特徴とする電気化学セル。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電気化学セルであって、
前記固体電解質層、前記第１多孔質電極層、前記第２多孔質電極層の厚さが、１０〜５０μｍであることを特徴とする電気化学セル。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の電気化学セルであって、
前記第１多孔質電極層及び前記第２多孔質電極層の気孔率が１０〜２０％であることを特徴とする電気化学セル。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の電気化学セルであって、
前記導電性多孔質支持体の気孔率が３０〜５０％であることを特徴とする電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルに関し、特に固体酸化物形燃料電池、水蒸気電解セル、硫酸分解セル、及び合成ガス（一酸化炭素と水素）生成セルなどに使用可能な電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電気化学セルを用いた水素製造方法としては、燃料電池の逆反応を利用する方法がある。その中でも、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下SOFCと称す。）の逆反応を利用した水素製造方法では、電気化学セルとして固体酸化物形電解セル（Solid Oxide Electrolysis Cell、以下SOECと称す。）が用いられ、SOECを用いた水素製造方法は、一般に高温水蒸気電解（High Temperature Electrolysis、以下HTEと称す。）と呼ばれている。
【０００３】
このようなSOFC及びSOECは、イオン伝導性の固体電解質と多孔質電極（空気極及び水素極）からなる。多孔質電極は、厚さ数１０μｍ程度のものが最も効率が高く（例えば、特許文献１参照。）、固体電解質もイオンの透過ロスを小さくするために一般的には数１０μｍ程度の厚さとされる。そのため、ガス拡散層を兼ねた導電性多孔質支持体によって、全体の強度を維持するよう構成されたものが多い。
【０００４】
近年、上記のSOFC及びSOECの電気化学特性を把握するため、その解析手法が提案されている（例えば非特許文献１、２参照。）。これらの解析手法は、熱流動解析と電気化学解析を連成させたものであり、その妥当性も検証されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６５７４６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】E. Hoashi, T. Ogawa, K. Matsunaga, K. Nakada, S. Fujiwara and S. Kasai,” Simulation Modeling of a Tubular-type Solid Oxide Electrolysis Cell for Hydrogen Production on Nuclear Power Plant”, Proceedings of 2006 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP ’06), ANS, Reno, Nevada, pp2287-2294, June 6-10, 2006.
【非特許文献２】E. Hoashi, T. Ogawa, K. Matsunaga, K. Nakada, S. Fujiwara, H. Yamauchi, S. Kasai, K. Yamada, Y. Hirata "Development of simulation method for thermo-fluid-electrochemical coupled phenomena related to hydrogen production technology using nuclear energy", Proceedings of 2007 ANS Annual Meeting, Embedded Topical Meeting: Safety and Technology of Nuclear Hydrogen Production, Control and Management (ST-NH2), ANS, Boston, MA, pp61-68, June 25-28, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した電気化学セルにおいては、さらに高性能化及び高効率化を図ることが求められている。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて高性能化及び高効率化を図ることのできる電気化学セルを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電気化学セルの一態様は、イオン伝導体である固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面に形成された第１多孔質電極層と、前記固体電解質層の他方の面に形成された第２多孔質電極層と、前記固体電解質層、第１多孔質電極層、第２多孔質電極層を支持するための導電性多孔質支持体を備え、前記導電性多孔質支持体の表面とガスが接触した状態で流通するガス流通路が設けられた電気化学セルであって、前記導電性多孔質支持体が気孔率の異なる部分を有し、かつ、前記気孔率の異なる部分が、前記ガス流通路のガス流通方向の上流側で気孔率が低く下流側で気孔率が高くなっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来に比べて高性能化及び高効率化を図ることのできる電気化学セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電気化学セルの要部概略構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電気化学セルの要部概略構成を模式的に示す図。
【図３】電流密度と流れ方向位置との関係を示すグラフ。
【図４】平均電流密度と標準偏差とを示すグラフ。
【図５】一般的な平板型の電気化学セルの概略構成を示す図。
【図６】一般的な円筒型の電気化学セルの概略構成を示す図。
【図７】参考例に係る電気化学セルの要部概略構成を模式的に示す図。
【図８】多孔質電極層の気孔率による特性の相違を示すグラフ。
【図９】多孔質支持体の気孔率による特性の相違を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の電気化学セルの実施形態について説明する。電気化学セルにおいては、ガスの拡散がその性能に大きく寄与する。本実施形態では、多孔質媒体（多孔質電極と導電性多孔質支持体）ごとに異なる気孔率を持つ構造である電気化学セルの気孔率の組合せと発電（電解）特性を明確にして、電気化学セルの高性能化及び高効率化を図ったものである。
【００１３】
図５，６は、一般的な電気化学セルの概略構成を示す図であり、図５は平板型の電気化学セル、図６は円筒型の電気化学セルの構成を示している。図５，６において、点線の矢印は空気の流れを示しており、実線の矢印は水蒸気＋水素の流れを示している。そして、点線の矢印で示すように空気が流れる空気流路と、実線の矢印で示すように水蒸気＋水素が流れる水蒸気＋水素の流路との間には、空気極側の多孔質電極層、固体電解質層、水素極側の多孔質電極層、及びこれらを支持するための導電性多孔質支持体が設けられている。本発明は、図５に示す平板型の電気化学セル及び図６に示す円筒型の電気化学セルのいずれに対しても適用することができる。
【００１４】
図７は、参考例に係る電気化学セル（ＳＯＥＣ）の要部断面概略構成を拡大して示すものである。同図に示すように、電気化学セル３００は、イオン伝導性の固体電解質層１と、この固体電解質層１の両側に形成された多孔質電極層２，３とを具備している。多孔質電極層２は、空気極を構成するものであり、多孔質電極層３は、水素極を構成するものである。
【００１５】
多孔質電極層２，３は、厚さ数１０μｍ程度とされ、固体電解質層１も同様に厚さ数１０μｍ程度とされている。また、多孔質電極層３は、導電性多孔質支持体４上に形成されている。導電性多孔質支持体４は電気化学セル３００の強度を維持するとともに、ガス拡散層として作用する。導電性多孔質支持体４は、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ（酸化ニッケル含有イットリア安定ジルコニア）等を使用することができる。多孔質電極層３には、例えば、導電性多孔質支持体４より多くの酸化ニッケルを含むＮｉ−ＹＳＺ等を使用することができる。固体電解質層１には、例えば、ＹＳＺ電解質等を使用することができる。また、多孔質電極層２には、例えば、ペロブスカイト系セラミックス等を使用することができる。
【００１６】
次に、上記の構造を有する電気化学セル３００について、前記した非特許文献１、非特許文献２等に記載された流動解析と電気化学解析を組み合わせた手法を用いてその特性を解析した参考例について説明する。
【００１７】
まず、解析方法について簡単に説明する。基本的に電解セルは電池の逆反応を利用し、水蒸気を分解して水素を生成する。解析においては、連続の式（１）、運動量保存式（２）、エネルギー保存式（３）、化学種の輸送方程式（４）を解くことで水蒸気、水素、酸素の挙動を解析する。
【００１８】
∂ρ／∂ｔ＋（∂／∂ｘｊ）（ρｕｊ）＝ｓｍ      （１）
【００１９】
（∂／∂ｔ）（ρｕｊ）＋（∂／∂ｘｊ）（ρｕｊｕｉ−τｉｊ）
＝−（∂Ｐ／∂ｘｊ）＋Ｓｉ        （２）
【００２０】
（∂／∂ｔ）（ρｈ）＋（∂／∂ｘｊ）（ρｕｊｈ−Ｆｈｊ）
＝∂Ｐ／∂ｔ＋  （∂／∂ｘｊ）（ｕｊＰ）−Ｐ（∂ｕｊ／∂ｘｊ）
＋τｉｊ（∂ｕｊ／∂ｘｊ）＋Ｓｈ                                  （３）
【００２１】
（∂／∂ｔ）（ρｍｍ）＋（∂／∂ｘｊ）（ρｕｊｍｍ−Ｆｍｊ）＝Ｓｃ      （４）
【００２２】
加えて、電位ポテンシャルφの保存式（５）を解いた結果として得られる電位ポテンシャル差が電解セルの電圧Ｖとして得られる。
【００２３】
（∂／∂ｘｉ）［σｅ（∂φ／∂ｘｉ）］＋ｓｅ＝０      （５）
【００２４】
このとき、（５）式の結果として計算された電解セルの電圧を用いて（６）式より電極過電圧ηと電流ｉを得ることができる。
【００２５】
Ｖ＝Ｅ＋ｉＲｔ＋ηｃａ＋ηａｎ      （６）
【００２６】
得られた電流より電極反応速度ｒがそれぞれ以下のアノード（７）式、カソード（８）式で決まる。
【００２７】
アノード：ｒａｎ＝ｉ／（４Ｆ）      （７）
カソード：ｒｃａ＝ｉ／（２Ｆ）      （８）
【００２８】
得られた反応速度が化学種の輸送拡散方程式（４）のソース項Ｓｃ、電流ｉが電位ポテンシャル保存式（５）のソース項Ｓｅの中で得られ、それぞれの挙動、および分布を再計算する。
【００２９】
表１に、参考例１〜３について解析した多孔質電極層２，３の気孔率と導電性多孔質支持体４の気孔率について示す。
【００３０】
【表１】
2011017055.tif 000003
【００３１】
表1に示すように、参考例１〜３では、導電性多孔質支持体４の気孔率を４０％で一定とした状態で、多孔質電極層２，３の気孔率を２０％、１５％、１０％と変化させた。この解析結果を、縦軸を電解電圧、横軸を電流密度とした図８のグラフに示す。この図８に示されるように、多孔質電極層２，３の気孔率が１０％と小さい参考例３が、気孔率の大きい参考例２（気孔率１５％）、参考例１（気孔率２０％）と比べてグラフ上の傾きが小さくなっており、低い電解電圧で高い電流密度が得られ、電解効率が良くなっている。
【００３２】
上記のように、導電性多孔質支持体４の気孔率が一定の場合、多孔質電極層２，３の気孔率が小さい方が電解効率が良くなる傾向がある（電解においては傾きが小さい方がよい）。したがって、多孔質電極層２，３の気孔率は、１０〜２０％程度とすることが好ましく、略１０％程度とすることがさらに好ましい。これによって、高効率な電気化学セルを実現することができる。
【００３３】
表２に、参考例４〜６について解析した多孔質電極層２，３の気孔率と導電性多孔質支持体４の気孔率について示す。
【００３４】
【表２】
2011017055.tif 000004
【００３５】
表２に示すように、参考例４〜６では、多孔質電極層２，３の気孔率を１０％で一定とした状態で、導電性多孔質支持体４の気孔率を、２０％、３０％、５０％と変化させた。この解析結果を、縦軸を電解電圧、横軸を電流密度とした図９のグラフに示す。なお、図９のグラフには、多孔質電極層２，３の気孔率が１０％で、導電性多孔質支持体４の気孔率が４０％である前述した参考例３についても記載してある。
【００３６】
図９に示されるように、多孔質電極層２，３の気孔率が一定の場合、導電性多孔質支持体４の気孔率が高い方がグラフ上の傾きが小さくなっており、低い電解電圧で高い電流密度が得られ、電解効率が良くなっている。したがって、導電性多孔質支持体４の気孔率は、３０〜５０％程度とすることが好ましい。これによって、高効率な電気化学セルを実現することができる。
【００３７】
次に、本発明の実施形態について説明する。第１実施形態の電気化学セル１００では、図１に示すように、導電性多孔質支持体４が、水蒸気＋水素（SOFCの場合は水素）の流れ方向（図中矢印で示す。）に沿って、気孔率の異なる導電性多孔質支持体４ａ、４ｂ、４ｃから構成されている。これらの導電性多孔質支持体４ａ、４ｂ、４ｃは、蒸気の流れ方向の上流側の気孔率が低く、下流側の気孔率が高くなるように配列されている。本実施形態の場合、最も上流側の導電性多孔質支持体４ａの気孔率が３０％、中間部の導電性多孔質支持体４ｂの気孔率が４０％、最も下流側の導電性多孔質支持体４ｃの気孔率が５０％となっている。
【００３８】
なお、他の部分の構成及び材料等については、前述した図７に示した電気化学セル３００と同様であるので、対応する部分に同一符号を付して重複した説明は省略する。また、図１では、空気の流れ方向が、水蒸気＋水素の流れ方向と同一方向となるよう示してあるが、空気の流れ方向は、逆方向であっても、直交する方向であってもよい。これらの点は、後述する第２実施形態においても同様である。
【００３９】
なお、図１（及び後述する図２）は、電気化学セル１００（２００）の構造を模式的に示しているものであり、その厚さ方向の寸法とガスの流れ方向の寸法の比率等は、実際の比率を示すものではない。すなわち、例えば、固体電解質層１及び多孔質電極２，３の厚さ方向の寸法は、実際には、１０〜５０μｍ程度であり、導電性多孔質支持体４は、実際の厚さ方向の寸法が数ミリ程度、ガスの流れ方向の寸法が数十ミリ程度（例えば４０ｍｍ程度）である。
【００４０】
また、図２は、第２実施形態の電気化学セル２００の構成を示すものである。この第２実施形態の電気化学セル２００では、導電性多孔質支持体４が、水蒸気＋水素（SOFCの場合は水素）の流れ方向（図中矢印で示す。）に沿って、気孔率の異なる導電性多孔質支持体４ａ、４ｃから構成されている。これらの導電性多孔質支持体４ａ、４ｃは、蒸気の流れ方向の上流側の気孔率が低く、下流側の気孔率が高くなるように配列されている。本実施形態の場合、全体の１／４の長さの上流側の部分の導電性多孔質支持体４ａの気孔率が３０％、全体の３／４の長さの下流側の導電性多孔質支持体４ｃの気孔率が５０％となっている。
【００４１】
図３は、縦軸を電流密度、横軸を水蒸気の流れ方向位置として、上記した第１実施形態の電気化学セル１００、第２実施形態の電気化学セル２００、及び前述した参考例１〜６について、電解電圧を１．３Ｖとした場合の電流密度と流れ方向位置との関係を示すグラフである。また、図４は、縦軸を流れ方向分布の平均電流密度からの標準偏差（％）、縦軸を平均電流密度として、参考例１〜６と第１及び第２実施形態のこれらの値をプロットして示したものである。
【００４２】
上記図３に示す電流密度の流れ方向分布は、平坦な方がより効率が高くなり、温度分布も小さくなって構造的にも負荷が小さくなる。また、上記図４では、標準偏差が小さくて電流密度が大きい、つまり右下に向かうほど性能が向上していることを示している。これらの図３、図４に示されるように、第１及び第２実施形態では、電流密度の流れ方向分布がより均一でその標準偏差が低くなっており、かつ、平均電流密度も高くなっている。
【００４３】
上記のように、第１及び第２実施形態では、導電性多孔質支持体の気孔率を上流側で小さく、下流側で大きくすることによって、電解効率が高く、従来に比べて高性能化及び高効率化を図ることのできる電気化学セルを提供することができる。
【００４４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、導電性多孔質支持体の気孔率の異なる部分の数は、４以上としてもよい。また、第１及び第２実施形態のように気孔率がステップ状に異なる導電性多孔質支持体はなく、例えば、一次以上の多項式、指数関数、対数関数等の任意の関数で表されるように、気孔率が連続的に変化する導電性多孔質支持体を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１……固体電解質層、２……多孔質電極層（空気極）、３……多孔質電極層（水素極）、４，４ａ，４ｂ，４ｃ……導電性多孔質支持体、１００，２００……電気化学セル。
【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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