(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する筒状支持体と、電気化学反応部とを有する電気化学素子であって、
前記電気化学反応部は、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有し、前記電解質層は前記燃料極と前記空気極との間に配置され、
前記筒状支持体は、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部と、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部とを有し、
前記電気化学反応部が前記筒状支持体の外側または内側に前記気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される電気化学素子。
【請求項２】
前記筒状支持体が金属または金属酸化物である請求項１に記載の電気化学素子。
【請求項３】
前記筒状支持体が、前記筒状支持体の中心軸に対して平行な平面部を有し、前記電気化学反応部は前記平面部に配置される請求項１または２に記載の電気化学素子。
【請求項４】
前記空気極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項５】
前記燃料極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項６】
前記電解質層が前記気体通流許容部を覆って配置される請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項７】
前記電解質層の端部に前記筒状支持体の内側と外側との間の気体の通流を防止するシール材が設けられる請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項８】
前記気体通流許容部は、前記筒状支持体の内側と外側とに連通した複数の貫通孔が設けられている穿孔領域である請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項９】
前記気体通流許容部は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材を前記筒状支持体の側面に設けられた開口部に固定して形成される請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項１０】
前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち一方の端部が前記他の部材に固定されて、前記電気化学素子が前記他の部材に片持ち支持される請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項１１】
前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは前記気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項１２】
前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは前記気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられており、前記非配置領域のいずれかの部分に前記筒状支持体と前記他の部材とを電気的に絶縁する絶縁部材が設けられている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる電気化学モジュール。
【請求項１４】
前記電気化学素子は、前記電気化学反応部の側方に前記電気化学反応部での反応に用いられる反応気体が供給される気体供給空間を有し、
並列配置される複数の前記電気化学素子のうち隣接する２つの前記電気化学素子であって、前記電気化学反応部が他方の前記電気化学素子に接続される第１電気化学素子と、前記筒状支持体が前記第１電気化学素子に接続される第２電気化学素子に関し、
前記第１電気化学素子の前記気体供給空間と前記第２電気化学素子の前記気体供給空間とが、前記第２電気化学素子の前記筒状支持体の側方を介して連通している請求項１３に記載の電気化学モジュール。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の電気化学モジュールと改質器を有し前記電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する電気化学装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するエネルギーシステム。
【請求項１７】
前記燃料極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第１気体が供給される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる電気化学モジュール。
【請求項１９】
複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に還元性成分を含有する前記第１気体を供給する第１気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第１気体供給部に接続されている請求項１８に記載の電気化学モジュール。
【請求項２０】
前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して酸化性成分を含有する第２気体を供給する第２気体供給部を有する請求項１８または１９に記載の電気化学モジュール。
【請求項２１】
前記空気極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第３気体が供給される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学素子。
【請求項２２】
請求項２１に記載の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体と反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる電気化学モジュール。
【請求項２３】
複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する前記第３気体を供給する第３気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第３気体供給部に接続されている請求項２２に記載の電気化学モジュール。
【請求項２４】
前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して還元性成分を含有する第４気体を供給する第４気体供給部を有する請求項２２または２３に記載の電気化学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学素子、それを備えた電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電極支持型の固体酸化物形燃料電池セルの構造は平板型と円筒型に大別され、円筒型においては、まず電極を円筒状に形成し、その周囲に電解質や他の電極を形成していた。そして円筒状の電極が、燃料電池セルの構造を支える支持体としての役割を担っていた。
【０００３】
特許文献１には、支持体である内側電極を３次元網目構造体とし、内側電極の表面に固体電解質、外側電極を順次設けた燃料電池セルが開示されている（図１）。また、当該燃料電池セルの従来技術として、円筒状の内側電極の外周面に、固体電解質、外側電極を設けた燃料電池セル（図５）が開示されている。内側電極には、燃料ガスまたは酸素含有ガスが流れるガス通過孔が設けられている。加えて、扁平状の内側電極の外周面に、固体電解質、外側電極を設けた燃料電池セル（図６）が開示されている。内側電極には、燃料ガスまたは酸素含有ガスが流れるガス通過孔が複数設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体酸化物形燃料電池において内側電極を支持体とする場合、外側に配置される固体電解質へ燃料ガスまたは酸素含有ガスを供給するために、内側電極などから構成される支持体は気体透過性を有する必要がある。それと同時に、支持体として十分な強度を有する必要がある。
【０００６】
そのために、特許文献１の図５および図６の例では、内側電極などから構成される燃料ガスまたは酸素含有ガスの通過孔を有する多孔質支持体をバインダー添加・スラリー調整・押出成形・乾燥・仮焼成工程等により形成する必要がある。そして、仮焼成された内側電極などから構成される支持体上に固体電解質や外側電極材料の原料をスラリーあるいはペースト化して順次形成し、乾燥・仮焼成工程等を経て、１３００~１５００℃程度の高温で焼成し作成する必要がある。高温焼成前の製造途上の形成物は非常に脆く、変形やクラックが発生し易く、また高温焼成により得られた燃料電池セルの強度も低く脆性破壊現象を起こすという問題があった。支持体を構成する内側電極等の厚みを大きくすると、燃料電池セルの変形やクラックをある程度抑制することができるが、内側電極の厚みの増加により固体電解質へのガス供給量が減少し、燃料電池セルの性能が低下してしまう。
【０００７】
特許文献１の図１の例では、内側電極を３次元網目構造体として形成することで、強度を大きくし、製造工程における変形やクラックの発生を抑制し、固体電解質表面へのガス供給量を増加できるとされている。しかしながら当該構成においても、製造工程が複雑な点や、得られた燃料電池セルがストレス印加時に脆性破壊現象を起こす点、構成材料の熱伝導率が（１．５~３Wm-1K-1程度と）低いため、セル内部の温度分布が大きくなり応力分布を生じ破壊に至る問題があり、燃料電池セル（電気化学素子）としてのさらなる強度、耐久性および性能の向上が求められていた。
【０００８】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、強度、耐久性および性能の優れた電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学素子の特徴構成は、導電性を有する筒状支持体と、電気化学反応部とを有する電気化学素子であって、前記電気化学反応部は、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有し、前記電解質層は前記燃料極と前記空気極との間に配置され、前記筒状支持体は、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部と、前記筒状支持体の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部とを有し、前記電気化学反応部が前記筒状支持体の外側または内側に前記気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される点にある。
【００１０】
上記の特徴構成によれば、筒状支持体の外側または内側に電気化学反応部が配置される構成となるので、筒型支持体が電気化学素子全体の機械的強度を担うことにより、電気化学素子を堅牢で強度が高いものにすることができる。また筒状支持体が気体通流許容部と気体通流禁止部とを有し、電気化学反応部が気体通流許容部の一部または全部を覆って配置される。この電気化学素子の構造により、電気化学反応部への気体の接触を許容しつつ、筒状支持体の内側と外側との間での気体の通流を効果的に抑止することができる。
【００１１】
加えて、電気化学素子の製造時には、膜状の電解質層と、膜状の燃料極と、膜状の空気極とを有する電気化学反応部を筒状支持体の上に形成することになるから、電気化学反応部の形成時の不良率を低減することができる。さらに、電気化学素子としての機能は膜状の電解質層・燃料極・空気極を有する電気化学反応部により実現されているので、従来のように支持体に高価な材料を用いる必要性が少なくなり、電気化学素子のコストダウンが可能となる。すなわち上記の特徴構成により、電気化学素子の強度、耐久性、性能および製造容易性を高め、製造コストを低減することができる。
【００１２】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体が金属または金属酸化物である点にある。
【００１３】
上記の特徴構成によれば、筒状支持体が金属または金属酸化物であるので、筒状支持体の強度および導電性の確保と、気体通流禁止部における筒状支持体の内側と外側の気体通流防止を容易に実現することができる。また、従来の支持体は構成材料の熱伝導率が１．５~３Wm-1K-1程度と低いため、ヒートショックを受けた時や電気化学的負荷が変動した時に過渡的にセル内部の温度分布が大きくなり応力分布を生じ破壊に至りやすかった。上記の特徴構成によれば、筒状支持体が金属または金属酸化物であるから、筒状支持体の熱伝導率を高くすることができ、セル内部の温度分布は小さくなり応力分布の発生による破壊を回避することができる。したがって、強度、信頼性、耐久性および性能により優れた電気化学素子を実現することができる。
【００１４】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体が、前記筒状支持体の中心軸に対して平行な平面部を有し、前記電気化学反応部は前記平面部に配置される点にある。
【００１５】
上記の特徴構成によれば、筒状支持体が、筒状支持体の中心軸に平行な平面部を有し、電気化学反応部は平面部に配置されるので、電気化学反応部の形成がより容易になり、電気化学素子の製造の歩留まりを更に向上することができる。また、電気化学素子として重要な内側と外側との気体の通流防止を、さらに容易かつ効果的に実現することができる。
【００１６】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記空気極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される点にある。
【００１７】
上記の特徴構成によれば、空気極と電解質層との間に膜状の中間層が配置されるので、空気極の構成材料と電解質層の構成材料との反応が効果的に抑制され、性能の長期安定性に優れた電気化学素子を実現することができる。
【００１８】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記燃料極と前記電解質層との間に膜状の中間層が配置される点にある。
【００１９】
上記の特徴構成によれば、燃料極と電解質層との間に膜状の中間層が配置されるので、より性能と信頼性、耐久性に優れた電気化学素子を実現することができる。
【００２０】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層が前記気体通流許容部を覆って配置される点にある。
【００２１】
上記の特徴構成によれば、電解質層が気体通流許容部を覆って配置されるので、電気化学反応部の筒状支持体への設置によって筒状支持体の内側・外側の気密を実現することができ、性能に優れた電気化学素子をより容易に製造することができる。
【００２２】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電解質層の端部に前記筒状支持体の内側と外側との間の気体の通流を防止するシール材が設けられる点にある。
【００２３】
上記の特徴構成によれば、電解質層の端部に筒状支持体の内外間の気体の通流を防止するシール材が設けられるので、より容易に筒状支持体の内側・外側の気密を実現することができ、性能に優れた電気化学素子をより容易に製造することができる。
【００２４】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記気体通流許容部は、前記筒状支持体の内側と外側とに連通した複数の貫通孔が設けられている穿孔領域である点にある。
【００２５】
上記の特徴構成によれば、気体通流許容部は、筒状支持体の内側と外側とに連通した複数の貫通孔が設けられている穿孔領域であるので、筒状支持体に気体通流許容部をより容易に選択的に設けることができる上に、筒状支持体の強度をより高めることができる。したがって、強度および耐久性により優れた電気化学素子をより容易に実現することができる。
【００２６】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記気体通流許容部は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材を前記筒状支持体の側面に設けられた開口部に固定して形成される点にある。
【００２７】
上記の特徴構成によれば、気体通流許容部は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材を筒状支持体の側面に設けられた開口部に嵌合や溶接などの接合法により固定して形成されるので、気体通流許容部をより容易に形成することができる上に、気体透過部材の表面を平坦に形成することが容易となって、電気化学反応部の形成の歩留まりを向上させることが可能となる。すなわち、電気化学素子の製造をより容易に行うことができる。
【００２８】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち一方の端部が前記他の部材に固定されて、前記電気化学素子が前記他の部材に片持ち支持される点にある。
【００２９】
電気化学素子は使用時に温度変化や電気化学的負荷変動等の各種の変動を受ける。例えば固体酸化物形燃料電池に用いられる場合には、運転と停止により室温〜約８００℃前後の温度サイクルを繰り返し受けることとなる。上記の特徴構成によれば、電気化学素子が他の部材に取り付けられる際、筒状支持体の軸方向の端部のうち一方の端部が他の部材に固定されて、電気化学素子が他の部材に片持ち支持されるので、本発明の他の特徴構成と相まって温度変化に起因する膨張・収縮や、振動等による応力の発生を従来技術に比して飛躍的に軽減し、性能の長期安定性がより優れた電気化学素子を実現することができる。
【００３０】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられている点にある。
【００３１】
通常は電気化学反応部は、電気化学反応の発生を促進すべく、できるだけ大きな面積に設けられる。上記の特徴構成によれば、筒状支持体の軸方向の端部のうち、電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、電気化学反応部あるいは気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられているので、電気化学反応に寄与する面積は小さくなってしまう。しかし固定端部に設けられた非配置領域の存在により、他の部材と筒状支持体との接合部と、高温となる電気化学反応部との距離が大きくなる。すると高温の電気化学反応部から接合部が受ける熱影響が小さくなるので、接合部の耐久性が向上する。また、接合部が電気化学反応部と比べて低温になるので、他の部材と筒状支持体との接合に用いる接合部材に、耐熱温度が比較的低いものを用いることができ、他の部材への電気化学素子の取り付けを容易かつ低コストにすることができる。さらに、前記筒状支持体に低コスト材料を使用できるため、非配置領域を設けても低コストな電気化学素子を実現できる。
【００３２】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体の軸方向の端部のうち、前記電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に前記他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、前記電気化学反応部あるいは気体通流許容部が設けられない非配置領域が設けられており、前記非配置領域のいずれかの部分に前記筒状支持体と前記他の部材とを電気的に絶縁する絶縁部材が設けられている点にある。
【００３３】
上記の特徴構成によれば、電気化学素子が他の部材に取り付けられる際に、電気化学素子と他の部材とを電気的に絶縁する絶縁部材を電気化学反応部と比べて低い温度領域の部分に取り付けることができるため、絶縁部材に耐熱温度が比較的低い、低コストのものを用いることができる。
【００３４】
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子を複数有し、一つの電気化学素子の前記電気化学反応部における前記筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の前記筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の前記筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の前記電気化学素子を並列配置してなる点にある。
【００３５】
上記の特徴構成によれば、一つの電気化学素子の電気化学反応部における筒状支持体とは反対側の面と、他の電気化学素子の筒状支持体とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の筒状支持体の軸を相互に平行とする形態で、複数の電気化学素子を並列配置して電気化学モジュールを構成するので、強度、耐久性および性能に優れた電気化学素子を用いて、耐久性および性能に優れた電気化学モジュールを簡単に実現することができる。
【００３６】
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記電気化学素子は、前記電気化学反応部の側方に前記電気化学反応部での反応に用いられる反応気体が供給される気体供給空間を有し、並列配置される複数の前記電気化学素子のうち隣接する２つの前記電気化学素子であって、前記電気化学反応部が他方の前記電気化学素子に接続される第１電気化学素子と、前記筒状支持体が前記第１電気化学素子に接続される第２電気化学素子に関し、前記第１電気化学素子の前記気体供給空間と前記第２電気化学素子の前記気体供給空間とが、前記第２電気化学素子の前記筒状支持体の側方を介して連通している点にある。
【００３７】
電気化学素子の気体供給空間が相互に連通していない場合、複数の電気化学素子の電気化学反応部の各々に対して反応気体を供給するための構造が必要となり、電気化学モジュールの構造が複雑になる。上記の特徴構成によれば、電気化学素子は、電気化学反応部の側方に電気化学反応部での反応に用いられる反応気体が供給される気体供給空間を有し、並列配置される複数の電気化学素子のうち隣接する２つの電気化学素子であって、電気化学反応部が他方の電気化学素子に接続される第１電気化学素子と、筒状支持体が第１電気化学素子に接続される第２電気化学素子に関し、第１電気化学素子の気体供給空間と第２電気化学素子の気体供給空間とが、第２電気化学素子の筒状支持体の側方を介して連通しているので、複数の電気化学素子の電気化学反応部への反応気体の供給を、より簡易な構成で実現することができる。すなわち電気化学反応部への反応気体の供給を、筒状支持体の内部から気体通流許容部を通じて行うとともに、筒状支持体の外部から相互に連通した気体供給空間を通じて行うことができ、もって電気化学モジュールの構造を簡略化することができる。
【００３８】
上記目的を達成するための本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器を有し前記電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有する点にある。
【００３９】
上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと改質器を有し電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを有するので、耐久性および性能に優れた電気化学モジュールから電力を取り出すことができ、耐久性および性能に優れた電気化学装置を実現することができる。
【００４０】
上記目的を達成するための本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する点にある。
【００４１】
上記の特徴構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、耐久性および性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。
【００４２】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記燃料極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第１気体が供給される点にある。
【００４３】
上記の特徴構成によれば、燃料極が電解質層と筒状支持体との間に配置され、筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第１気体が供給されるので、筒状支持体の気体通流許容部を通して燃料極に還元性成分を含有する第１気体を供給することができ、より簡便な構成で信頼性の高い電気化学素子を実現することができる。
【００４４】
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に還元性成分を含有する前記第１気体を供給する第１気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第１気体供給部に接続されている点にある。
【００４５】
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学素子の筒状支持体の内部に還元性成分を含有する第１気体を供給する第１気体供給部を有し、電気化学素子の端部のうち筒状支持体の軸方向の一方の端部が第１気体供給部に接続されているので、電気化学モジュールを簡便に構成して信頼性を高めながら、複数の電気化学素子に第１気体を供給することができ、出力が大きく信頼性の高い電気化学モジュールを実現することができる。
【００４６】
本発明に係る電気化学モジュールの別の特徴構成は、前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して酸化性成分を含有する第２気体を供給する第２気体供給部を有する点にある。
【００４７】
上記の特徴構成によれば、筒状支持体の外部から電気化学反応部に対して酸化性成分を含有する第２気体を供給する第２気体供給部を有するので、電気化学反応部に対して簡便な構成で酸化性成分を含有する第２気体を供給することができ、より簡便で信頼性の高い電気化学モジュールを実現することができる。
【００４８】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記空気極が前記電解質層と前記筒状支持体との間に配置され、前記筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第３気体が供給される点にある。
【００４９】
上記の特徴構成によれば、空気極が電解質層と筒状支持体との間に配置され、筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第３気体が供給されるので、筒状支持体の気体通流許容部を通して空気極に酸化性成分を含有する第３気体を供給することができ、より簡便で信頼性の高い電気化学素子を実現することができる。
【００５０】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、複数の前記電気化学素子の筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する前記第３気体を供給する第３気体供給部を有し、前記電気化学素子の端部のうち前記筒状支持体の軸方向の一方の端部が前記第３気体供給部に接続されている点にある。
【００５１】
上記の特徴構成によれば、複数の電気化学素子の筒状支持体の内部に酸化性成分を含有する第３気体を供給する第３気体供給部を有し、電気化学素子の端部のうち筒状支持体の軸方向の一方の端部が第３気体供給部に接続されているので、電気化学モジュールを簡便に構成して信頼性を高めながら、複数の電気化学素子に第２気体を供給することができ、出力が大きく信頼性の高い電気化学モジュールを実現することができる。
【００５２】
本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記筒状支持体の外部から前記電気化学反応部に対して還元性成分を含有する前記第４気体を供給する第４気体供給部を有する点にある。
【００５３】
上記の特徴構成によれば、筒状支持体の外部から電気化学反応部に対して還元性成分を含有する第４気体を供給する第４気体供給部を有するので、電気化学反応部に対して簡便な構成で還元性成分を含有する第４気体を供給することができ、より効率的に電気化学反応を行う電気化学モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態に係るエネルギーシステムの全体構成を示す概略図
【図２】第１実施形態に係る電気化学モジュールの説明図
【図３】第１実施形態に係る電気化学素子の説明図
【図４】図３のIV−IV方向の断面図
【図５】図３のV−V方向の断面図
【図６】図２（ａ）のVI−VI方向の断面図
【図７】第１実施形態に係る電気化学素子の製造工程の説明図
【図８】第２実施形態に係る電気化学素子の説明図
【図９】第３実施形態に係る電気化学素子の説明図
【図１０】第４実施形態に係る電気化学素子の説明図
【図１１】第４実施形態に係る電気化学素子の説明図
【図１２】第５実施形態に係る電気化学素子の説明図
【発明を実施するための形態】
【００５５】
＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態に係るエネルギーシステム、電気化学装置、電気化学モジュールおよび電気化学素子について図面に基づいて説明する。
【００５６】
＜エネルギーシステム、電気化学装置＞
図１には、エネルギーシステムおよび電気化学装置の概要が示されている。
エネルギーシステムは、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器２３とを有する。
電気化学装置は、電気化学モジュールＭと、脱硫器１と改質器４とを有し電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールＭから電力を取り出すインバータ８とを有する。
【００５７】
詳しくは電気化学装置は、脱硫器１、改質水タンク２、気化器３、改質器４、ブロア５、燃焼部６、インバータ８、制御部９、収納容器１０および電気化学モジュールＭを有する。
【００５８】
脱硫器１は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去（脱硫）する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器１を備えることにより、硫黄化合物による改質器４あるいは電気化学素子Ｅに対する影響を抑制することができる。気化器３は、改質水タンク２から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器４は、気化器３にて生成された水蒸気を用いて脱硫器１にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。
【００５９】
電気化学モジュールＭは、改質器４から供給された改質ガスと、ブロア５から供給された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部６は、電気化学モジュールＭから排出される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。
【００６０】
電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７とを有する。複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されている。電気化学素子Ｅは、ガスマニホールド１７を通じて供給される改質ガスと、ブロア５から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
【００６１】
インバータ８は、電気化学モジュールＭの出力電力を調整して、商用系統（図示省略）から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部９は電気化学装置およびエネルギーシステムの運転を制御する。
【００６２】
気化器３、改質器４、電気化学モジュールＭおよび燃焼部６は、収納容器１０内に収納される。そして改質器４は、燃焼部６での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
【００６３】
原燃料は、昇圧ポンプ１１の作動により原燃料供給路１２を通して脱硫器１に供給される。改質水タンク２の改質水は、改質水ポンプ１３の作動により改質水供給路１４を通して気化器３に供給される。そして、原燃料供給路１２は脱硫器１よりも下流側の部位で、改質水供給路１４に合流されており、収納容器１０外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器１０内に備えられた気化器３に供給される。
【００６４】
改質水は気化器３にて気化され水蒸気となる。気化器３にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路１５を通して改質器４に供給される。改質器４にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス（還元性成分を有する第１気体）が生成される。改質器４にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路１６を通して電気化学モジュールＭのガスマニホールド１７に供給される。
【００６５】
ガスマニホールド１７に供給された改質ガスは、複数の電気化学素子Ｅに対して分配され、電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７との接続部である下端から電気化学素子Ｅに供給される。改質ガス中の主に水素（還元性成分）が、電気化学素子Ｅにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、電気化学素子Ｅの上端から燃焼部６に排出される。
【００６６】
反応排ガスは燃焼部６で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口２０から収納容器１０の外部に排出される。燃焼排ガス排出口２０には燃焼触媒部２１（例えば、白金系触媒）が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去する。燃焼排ガス排出口２０から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路２２により熱交換器２３に送られる。
【００６７】
熱交換器２３は、燃焼部６における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器２３は、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
【００６８】
＜電気化学モジュールＭ＞
次に、図２を用いて電気化学モジュールＭについて説明する。電気化学モジュールＭは、電気化学素子Ｅを複数有し、一の電気化学素子Ｅの電気化学反応部４３における筒状支持体３１とは反対側の面と、他の電気化学素子Ｅの筒状支持体３１とが電気的に接続される形態で、かつ、複数の筒状支持体３１の軸を相互に平行とする形態で、複数の電気化学素子Ｅを並列配置してなる。
【００６９】
また電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅの筒状支持体３１の内部に還元性成分を含有する第１気体を供給する第１気体供給部（ガスマニホールド１７）を有し、電気化学素子Ｅの端部のうち筒状支持体３１の軸方向の一方の端部が第１気体供給部に接続されている。
【００７０】
そして電気化学モジュールＭは、筒状支持体３１の外部から電気化学反応部４３に対して酸化性成分を含有する第２気体（空気）を供給する第２気体供給部（ブロア５）を有する。
【００７１】
なお電気化学素子Ｅが他の部材（本実施形態ではガスマニホールド１７）に取り付けられる際には、筒状支持体３１の軸方向の端部のうち一方の端部が当該他の部材に固定されて、電気化学素子Ｅが他の部材に片持ち支持される。
【００７２】
詳しくは図２（ａ）および（ｂ）に示されるように、電気化学モジュールＭは電気化学素子Ｅ、ガスマニホールド１７、集電部材２６、終端部材２７および電流引出し部２８を有する。
【００７３】
電気化学素子Ｅは、中空の筒である筒状支持体３１の表面に電気化学反応部４３を備えて構成されており、全体として長尺な平板あるいは平棒の形状をとる。そして電気化学素子Ｅの長手方向の一方の端部が、ガスマニホールド１７に対してガラスシール材等の接着部材により固定されている。筒状支持体３１とガスマニホールド１７との間は電気的に絶縁されている。
【００７４】
また筒状支持体３１とガスマニホールド１７との接続は、改質器４からガスマニホールド１７に供給される改質ガスを、ガスマニホールド１７から筒状支持体３１へと供給することが可能なように、筒状支持体３１の内部（後述する改質ガス通流部３６）とガスマニホールド１７の内部空間（図示省略）とを連通させた状態で行われる。筒状支持体３１とガスマニホールド１７との接続部は、改質ガスが漏出しないように、また筒状支持体３１に空気が流入しないように、気密に保たれる。
【００７５】
電気化学素子Ｅの電気化学反応部４３は、全体として膜状に構成される。電気化学反応部４３の表裏の面のうち、筒状支持体３１と反対側の面に、接着材２９によって集電部材２６が接着されている。そして別の電気化学素子Ｅの背面３９と集電部材２６とを接触させた状態あるいは溶接等により接合した状態で、複数の電気化学素子Ｅが並列配置されている。
【００７６】
集電部材２６には、導電性と、気体透過性と、電気化学素子Ｅの並列配置の方向に弾性とを有する部材が用いられる。例えば集電部材２６には、金属箔を用いたエキスパンドメタルや金属メッシュ、フェルト様部材が用いられる。接着材２９には、導電性と気体透過性とを有する材料が用いられる。例えば接着材２９には、セラミック系接着材が用いられる。これにより集電部材２６および接着材２９は気体透過性・気体通流性を有し、ブロア５から供給される空気が集電部材２６および接着材２９を透過または通流して電気化学反応部４３に供給される。
【００７７】
また集電部材２６が電気化学素子Ｅの並列配置の方向に弾性を有するので、ガスマニホールド１７に片持ち支持された筒状支持体３１は並列配置の方向にも変位することができ、振動や温度変化等の外乱に対する電気化学モジュールＭのロバスト性が高められる。
【００７８】
並列配置された複数の電気化学素子Ｅは、一対の終端部材２７に挟持されている。終端部材２７は、導電性を有し弾性変形可能な部材であり、その下端がガスマニホールド１７に固定されている。終端部材２７には、電気化学素子Ｅの並列配置の方向に沿って外側に向けて延びる電流引出し部２８が接続されている。電流引出し部２８はインバータ８に接続され、電気化学素子Ｅの発電により生じる電流をインバータ８へ送る。
【００７９】
図２に示す通り、並列配置された電気化学素子Ｅは、電気化学反応部４３の側方に電気化学反応部４３での反応に用いられる空気（反応気体、酸化性成分を含有する第２気体）が供給される気体供給空間Ｓを有する。そして複数の電気化学素子Ｅが有する気体供給空間Ｓは、筒状支持体３１の側方で互いに連通し、ひと繋がりの空間となっている。ここで電気化学反応部４３の側方とは、筒状支持体３１の軸方向と電気化学反応部４３の並列配置の方向との両方に直交する方向である。
【００８０】
図２を用いて詳しく説明すると、電気化学素子Ｅ１は気体供給空間Ｓ１を有し、電気化学素子Ｅ２は気体供給空間Ｓ２を有し、電気化学素子Ｅ３は気体供給空間Ｓ３を有する。そして気体供給空間Ｓ１と気体供給空間Ｓ２とが、電気化学素子Ｅ２の筒状支持体３１の側方を介して連通している。また気体供給空間Ｓ２と気体供給空間Ｓ３とが、電気化学素子Ｅ３の筒状支持体３１の側方を介して連通している。なお図２では気体供給空間Ｓの矢印は電気化学反応部４３の図中上側を指しているが、電気化学反応部４３の図中下側の側方にも気体供給空間Ｓが存在している。
【００８１】
すなわち、並列配置される複数の電気化学素子Ｅのうち隣接する２つの電気化学素子（Ｅ１、Ｅ２）であって、電気化学反応部４３が他方の電気化学素子Ｅ２に接続される第１電気化学素子Ｅ１と、筒状支持体３１が第１電気化学素子Ｅ１に接続される第２電気化学素子Ｅ２に関し、第１電気化学素子Ｅ１の気体供給空間Ｓ１と第２電気化学素子Ｅ２の気体供給空間Ｓ２とが、第２電気化学素子Ｅ２の筒状支持体３１の側方を介して連通している。
【００８２】
このように気体供給空間Ｓは相互に連通しているから、ブロア５から収納容器１０の内部に供給された空気は、気体供給空間Ｓに到達し、電気化学反応部４３へと供給される。また筒状支持体３１の内部（改質ガス通流部３６）にガスマニホールド１７から改質ガスが供給され、もって改質ガスが電気化学反応部４３へと供給される。これにより電気化学反応部４３にて反応が進行する。
【００８３】
＜電気化学素子Ｅ＞
図３〜５に電気化学素子Ｅの概略構成が示されている。電気化学素子Ｅは、導電性を有する筒状支持体３１と、電気化学反応部４３とを有し、電気化学反応部４３は、膜状の電解質層４６と、膜状の燃料極４４と、膜状の空気極４８とを有し、電解質層４６は燃料極４４と空気極４８との間に配置され、筒状支持体３１は、筒状支持体３１の内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部Ｐ２と、筒状支持体３１の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部Ｐ１とを有し、電気化学反応部４３が筒状支持体３１の外側に気体通流許容部Ｐ２の一部または全部を覆って配置される。
【００８４】
＜筒状支持体３１＞
筒状支持体３１は、長方形の平板部材３２と、長手方向に直交する断面がＵ字状のＵ字部材３３と、蓋部３４とを有する。平板部材３２の長辺とＵ字部材３３の長辺（Ｕ字の２つの頂点に対応する辺）とが接合され、一方の端部が蓋部３４で塞がれている。これにより、内部に空間を有し全体として平板あるいは平棒状の筒状支持体３１が構成される。平板部材３２は、筒状支持体３１の中心軸に対して平行に配置される。
【００８５】
筒状支持体３１の内部の空間が改質ガス通流部３６として機能する。蓋部３４に反応排ガス排出口３７が形成される。蓋部３４が設けられる端部に対向する反対側の端部は開口しており、改質ガス流入口３５として機能する。
【００８６】
平板部材３２、Ｕ字部材３３および蓋部３４の材料としては、導電性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル基合金などが用いられる。すなわち筒状支持体３１は堅牢に構成される。特にフェライト系ステンレス鋼が好適に用いられる。なお、後述する気体通流禁止部Ｐ１を構成するために、平板部材３２、Ｕ字部材３３および蓋部３４は気体を透過しない材料で形成する必要がある。
【００８７】
筒状支持体３１の材料にフェライト系ステンレス鋼を用いた場合、電気化学反応部４３にて材料に用いられるＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近くなる。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Ｅがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。
【００８８】
なお筒状支持体３１の材料としては、熱伝導率が３Wm-1K-1を上回る材料を用いることが好ましく、１０Wm-1K-1を上回る材料であればさらに好ましい。例えばステンレス鋼であれば熱伝導率が１５〜３０Wm-1K-1程度であるため、筒状支持体３１の材料として好適である。
【００８９】
また、筒状支持体３１の材料としては、脆性破壊を起こさない高靱性材料である事がさらに望ましい。セラミックス材料などと比較して金属材料は高靱性であり、筒状支持体３１として好適である。
【００９０】
平板部材３２には、平板部材３２の表面と裏面とを貫通して複数の貫通孔３８が設けられる。この貫通孔３８を通して筒状支持体３１の内側と外側との間で気体の通流が可能となっている。すなわち、複数の貫通孔３８が設けられている領域（穿孔領域Ｐ２）が、気体通流許容部（Ｐ２）として機能する。他方、平板部材３２やＵ字部材３３における貫通孔３８が設けられない領域は、筒状支持体３１の内側と外側との間で気体が通流できない。したがって当該領域は気体通流禁止部（Ｐ２）として機能する。
【００９１】
＜電気化学反応部４３＞
図４および図５に示されるように、電気化学反応部４３は、燃料極４４、中間層４５、電解質層４６、中間層４７および空気極４８を有し、本実施形態においては、この順番にて平板部材３２に積層される。なお電気化学素子Ｅにおいて電気化学反応部４３の側方の全部または一部を覆う部材は設けられず、電気化学反応部４３の側方は開放されている。
【００９２】
燃料極４４は、平板部材３２の貫通孔３８が設けられた穿孔領域Ｐ２（気体通流許容部Ｐ２）より大きな領域に、膜の状態で設けられる。燃料極４４の材料としては、例えばＮｉＯ−酸化セリウム（セリア）を主成分とするもの、Ｎｉ−酸化セリウム（セリア）を主成分とするもの、ＮｉＯ−ジルコニアを主成分とするもの、Ｎｉ−ジルコニアを主成分とするもの、ＣｕＯ−酸化セリウム（セリア）を主成分とするもの、Ｃｕ−酸化セリウム（セリア）を主成分とするものなどのサーメット材を用いることができる。なお、酸化セリウム（セリア）、ジルコニア等あるいはこれらに異種元素をドープした固溶体をサーメット材の骨材と呼ぶ。燃料極４４は、気体透過性を具備するように形成される。例えば、燃料極４４の表面および内部に微細な複数の細孔を有するように構成される。
【００９３】
燃料極４４は、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域での使用可能なプロセスにより、例えば１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な燃料極４４が得られる。そのため、金属製の平板部材３２を傷めることなく、また、金属製の平板部材３２と燃料極４４との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
【００９４】
中間層４５は、燃料極４４と電解質層４６との間に膜の状態で設けられる。中間層４５の材料としては、例えば、酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等を用いることができる。中間層４５を燃料極４４と電解質層４６との間に導入することにより、電気化学反応部４３の性能や信頼性、耐久性を向上できる。
【００９５】
電解質層４６は、中間層４５と中間層４７との間に膜状で設けられる。電解質層４６の材料としては、種々のジルコニア系材料、酸化セリウム系材料、種々のペロブスカイト系複合酸化物等の固体電解質材料を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層４６をジルコニア系セラミックスにすると、電気化学素子Ｅの稼働時の温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができ、非常に高効率な電気化学装置を構成することができる。
【００９６】
電解質層４６は、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、緻密で気密性の高い電解質層４６が得られる。そのため、金属製の平板部材３２と燃料極４４との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。
【００９７】
電解質層４６は、気密性を保つために緻密に構成される。なお、電解質層４６に、相対密度が９０％以上である層が含まれることが好ましい。また、相対密度が９５％以上である層が含まれることがより好ましく、更には、相対密度が９８％以上である層が含まれることが好ましい。このように、相対密度が高い電解質層とすることで緻密な電解質層とすることができる。なお、ここで相対密度とは、電解質材料の理論密度に対して実際に形成された電解質層４６の密度の割合を表す。
【００９８】
中間層４７は、電解質層４６と空気極４８との間に膜状で設けられる。中間層４７の材料としては、例えば酸化セリウム系材料やジルコニア系材料等が用いられる。中間層４７を空気極４８と電解質層４６との間に導入することにより、空気極４８の構成材料と電解質層４６の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学反応部４３の性能の長期安定性を向上できる。
【００９９】
空気極４８は、中間層４７の上に膜状で設けられる。空気極４８の材料としては、例えば、ＬＳＣＦ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系酸化物）、ＬＳＣ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ系酸化物）、ＬＳＭ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ系酸化物）等の複合酸化物を用いることができる。なお、空気極４８は、低温焼成法（例えば１４００℃等の高温域での焼成処理をせず、例えば１１００℃程度以下の低温域での焼成処理を用いる湿式法）やエアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１４００℃等の高温域での焼成を用いずに、例えば１１００℃程度以下の低温域での処理によって、良好な空気極４８が得られる。そのため、金属製の平板部材３２を傷めることなく、また、平板部材３２と燃料極４４との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。
【０１００】
電気化学反応部４３は、平板部材３２における複数の貫通孔３８が設けられている穿孔領域Ｐ２、すなわち気体通流許容部Ｐ２の一部または全部を覆って配置される。本実施形態では図４に示されるように、電気化学反応部４３が穿孔領域Ｐ２の全部を覆っている。電気化学反応部４３の電解質層４６は、穿孔領域Ｐ２の全部を覆い、かつ、燃料極４４の全部を覆い、かつ、中間層４５の全部を覆っている。電解質層４６は、平板部材３２の穿孔領域Ｐ２（気体通流許容部Ｐ２）と、平板部材３２における貫通孔３８が設けられていない領域（気体通流禁止部Ｐ１）とにわたって（跨って）設けられる。すなわち、電解質層４６は平板部材３２の気体通流許容部Ｐ２に接触して設けられている。これにより電気化学反応部４３と筒状支持体３１との結合を強くしている。
【０１０１】
以上のように構成した電気化学素子Ｅは、電気化学モジュールＭとして構成され、以下のように動作し、発電することができる。
【０１０２】
電気化学素子Ｅは、図２および図６に示されるように、複数の電気化学素子Ｅが集電部材２６および接着材２９を介して電気的に接続された状態で、ガスマニホールド１７に並列配置される。そして蓋部３４および反応排ガス排出口３７が設けられた端部と反対側の端部（図５における紙面中下方の端部）が、ガスマニホールド１７に対して固定される。ガスマニホールド１７は、改質ガス流入口３５に対して改質ガスを供給する。なお、電気化学素子Ｅは７００℃程度の作動温度に維持される。
【０１０３】
改質ガス流入口３５に供給された改質ガスは、改質ガス通流部３６を通って反応排ガス排出口３７に向けて流れる。その途中で、改質ガスの一部は貫通孔３８を通って筒状支持体３１の内側から外側へと流出し、電気化学反応部４３の燃料極４４に到達する。一方、ブロア５から収納容器１０に供給された空気が、電気化学素子Ｅの気体供給空間Ｓに到達する。そして気体供給空間Ｓから空気が、集電部材２６および接着材２９を通って、あるいは電気化学反応部４３の側方から直接、電気化学反応部４３の空気極４８に到達する。
【０１０４】
そうすると、空気極４８において空気に含まれる酸素Ｏ2が電子ｅ-と反応して酸素イオンＯ2-が生成される。その酸素イオンＯ2-が電解質層４６を通って燃料極４４へ移動する。燃料極４４においては、供給された改質ガスに含まれる水素Ｈ2が酸素イオンＯ2-と反応し、水Ｈ2Ｏと電子ｅ-が生成される。また、供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素ＣＯが酸素イオンＯ2-と反応し、二酸化炭素ＣＯ2と電子ｅ-が生成される。以上の反応により、燃料極４４と空気極４８との間に起電力が発生する。
【０１０５】
一つの電気化学反応部４３の空気極４８に接着材２９を介して集電部材２６が接続され、その集電部材２６が他の筒状支持体３１の背面３９に接触する。このようにして複数の電気化学素子Ｅが直列に接続されているので、電気化学素子Ｅに発生した起電力が足し合わされた電圧が、電流引出し部２８に生じる。
【０１０６】
改質ガス通流部３６の終端まで到達した改質ガスは、電気化学反応部４３で消費されなかった残余の水素ガスと共に、反応排ガスとして反応排ガス排出口３７より電気化学素子Ｅの外部に排出される。反応排ガス排出口３７より排出された反応排ガスは、ブロア５から収納容器１０に供給された空気と混合され、反応排ガス排出口３７の近傍の燃焼部６にて燃焼し、改質器４を加熱する。
【０１０７】
次に図７を参照して、電気化学素子Ｅの製造の手順を説明する。
まず、平板部材３２に複数の貫通孔３８を形成する（図７（ａ））。貫通孔３８の形成は、例えばレーザー加工等により行うことができる。これにより、平板部材３２に選択的に気体通流許容部Ｐ２（穿孔領域Ｐ２）と気体通流禁止部Ｐ１とが設けられる。
【０１０８】
次に、平板部材３２の穿孔領域Ｐ２の全体を覆って、電気化学反応部４３を設ける。電気化学反応部４３は、燃料極４４、中間層４５、電解質層４６、中間層４７、空気極４８の順に設けられる。これらは全て膜の状態で平板部材３２の上に形成される。電気化学反応部４３の形成は、印刷やスプレー等による湿式法、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法などを適宜用いて行うことができる。
【０１０９】
最後に、Ｕ字部材３３と、あらかじめ反応排ガス排出口３７を形成した蓋部３４とを平板部材３２に接合する。各部材の接合には、溶接等の適宜の方法を用いることができる。
【０１１０】
＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態では、電気化学反応部４３は、燃料極４４、中間層４５、電解質層４６、中間層４７、空気極４８の順に平板部材３２に設けられた。そして筒状支持体３１の内部に水素ガスを含有する改質ガスがガスマニホールド１７から供給され、筒状支持体３１の外部にブロア５から空気が供給され、電気化学反応が進行する。
【０１１１】
第２実施形態では、電気化学素子Ｅの電気化学反応部４３において、空気極４８が電解質層４６と筒状支持体３１との間に配置され、筒状支持体３１の内部に酸化性成分を含有する第３気体（空気）が供給される。そして電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅの筒状支持体３１の内部に酸化性成分を含有する第３気体（空気）を供給する第３気体供給部（ガスマニホールド１７）を有し、電気化学素子Ｅの端部のうち筒状支持体３１の軸方向の一方の端部が第３気体供給部に接続されている。さらに電気化学モジュールＭは、筒状支持体３１の外部から電気化学反応部４３に対して還元性成分を含有する第４気体（改質ガス）を供給する第４気体供給部（改質器４）を有する。
【０１１２】
図８に第２実施形態に係る電気化学素子Ｅの断面を示す。電気化学反応部４３は、空気極４８、中間層４７、電解質層４６、中間層４５、燃料極４４の順に平板部材３２に設けられる。すなわち、第１実施形態とは逆の順番で設けられる。
【０１１３】
第２実施形態に係る電気化学モジュールＭについては図示を省略するが、電気化学反応部４３の燃料極４４に、接着材２９によって集電部材２６が接着される。そして別の電気化学素子Ｅの背面３９と集電部材２６とを接触させる状態で、複数の電気化学素子Ｅが並列配置される。
【０１１４】
ガスマニホールド１７から電気化学素子Ｅの筒状支持体３１の内部に、空気が供給される。筒状支持体３１の気体通流許容部Ｐ２（穿孔領域Ｐ２）を通じて、電気化学反応部４３の空気極４８に、ガスマニホールド１７から供給された空気が供給される。
【０１１５】
収納容器１０の内部に、改質器４から改質ガスが供給され、電気化学素子Ｅの気体供給空間Ｓに到達する。そして気体供給空間Ｓから改質ガスが、集電部材２６および接着材２９を透過または通流して、あるいは電気化学反応部４３の側方から直接、電気化学反応部４３の燃料極４４に供給される。そして、上述した第１実施形態と同様に電気化学反応部４３において発電反応（電気化学反応）が進行する。
【０１１６】
＜第３実施形態＞
上述した第１実施形態では、筒状支持体３１の改質ガス流入口３５から流入した改質ガスは、改質ガス通流部３６を流れ、反応排ガス排出口３７を通って電気化学素子Ｅの外部に排出された。第３実施形態では、反応排ガスはガスマニホールド１７へ導かれ、燃料として再利用される。
【０１１７】
図９に第３実施形態に係る電気化学素子Ｅを示す。筒状支持体３１の改質ガス通流部３６に、仕切板５１が配置される。反応排ガス排出口３７は蓋部３４には設けられず、改質ガス流入口３５が設けられた端部に設けられている。ガスマニホールド１７から改質ガス流入口３５に供給された改質ガスは、改質ガス通流部３６を流れて筒状支持体３１の反対側の端部（蓋部３４が設けられた端部）に到達し、そこで折り返してガスマニホールド１７に向かって流れ、反応排ガス排出口３７からガスマニホールド１７へと流出する。ガスマニホールド１７に流入した反応排ガスは、所定の処理の後、改質ガスと混合されて電気化学素子Ｅに供給され、電気化学反応部４３での反応に供される。
【０１１８】
＜第４実施形態＞
上述した第１〜第３実施形態においては、筒状支持体３１における気体通流許容部Ｐ２は、平板部材３２に貫通孔３８を形成し穿孔領域Ｐ２として設けられていた。そして、電解質層４６が気体通流許容部Ｐ２の全体を覆って配置され、筒状支持体３１の内外の気密を確保していた。
【０１１９】
第４実施形態では、気体通流許容部Ｐ２は、導電性と気体透過性を有する材料からなる気体透過部材６１を筒状支持体３１の側面に設けられた開口部６２に固定して形成される。そして、電解質層４６の端部に筒状支持体３１の内部からの気体の漏れを防止するシール材６５が設けられる。
【０１２０】
図１０に示す通り、第４実施形態に係る筒状支持体３１では、平板部材３２に設けられた開口部６２に、気体透過部材６１が嵌め込まれている。平板部材３２には、上述の他の実施形態と同様の材料である、導電性と気体不透過性を有する金属や金属酸化物が用いられる。気体透過部材６１には、導電性と気体透過性を有する材料が用いられる。例えば、多孔質金属や金属酸化物が用いられる。筒状支持体３１における気体透過部材６１が嵌め込まれた領域が気体通流許容部Ｐ２となり、平板部材３２の領域が気体通流禁止部Ｐ１となる。
【０１２１】
図１１に示す通り、第４実施形態に係る電気化学反応部４３は気体透過部材６１の一部を覆って設けられる。電気化学反応部４３の電解質層４６は、気体透過部材６１の一部を覆い、かつ燃料極４４の全部を覆い、かつ、中間層４５の全部を覆っている。
【０１２２】
そして電解質層４６の端部に、シール材６５が設けられる。気体透過部材６１における電解質層４６が覆っていない領域と、燃料極４４および中間層４５の端面、電解質層４６の端面および上面の一部を、シール材６５が覆う。シール材６５としては、絶縁性と気体不透過性、気密性を有する材料が用いられる。例えば、ガラスシール材等が用いられる。シール材６５により、筒状支持体３１の内部からの気体の漏出が防止される。
【０１２３】
＜第５実施形態＞
上述した第１〜第４実施形態において電気化学反応部４３は、電気化学反応部４３をできるだけ長くして電気化学反応を促進するよう、筒状支持体３１の軸方向に沿って、反応排ガス排出口３７が設けられた端部から、改質ガス流入口３５が設けられた端部に渡って形成されている。一方、図１２に示される第５実施形態において電気化学反応部４３は、筒状支持体３１の軸方向に沿って、反応排ガス排出口３７が設けられた端部から、筒状支持体３１の軸方向の長さの４／５〜５／６の長さに渡って設けられている。
【０１２４】
そして、改質ガス流入口３５が設けられた端部から筒状支持体３１の軸方向の長さの１／５〜１／６の長さの領域には、気体通流許容部Ｐ２および電気化学反応部４３は設けられておらず、気体通流禁止部Ｐ１が設けられている。換言すれば、第５実施形態に係る電気化学素子Ｅには、改質ガス流入口３５が設けられた端部から筒状支持体３１の軸方向の長さの１／５〜１／６の長さの領域に、電気化学反応部４３が設けられない非配置領域Ｐ３が設けられている。非配置領域Ｐ３は、筒状支持体３１の平面部すなわち平板部材３２に設けられた領域である。
【０１２５】
電気化学素子Ｅがガスマニホールド１７（他の部材）に取り付けられる際は、改質ガス流入口３５が設けられた端部の側において電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７とが、ガラスシール材等の接合部材（絶縁部材の機能も有する）により接合される。すなわち、筒状支持体３１の軸方向の端部のうち、電気化学素子Ｅが他の部材（ガスマニホールド１７）に取り付けられる際に他の部材に取り付けられる側の端部である固定端部に、電気化学反応部４３が設けられない非配置領域Ｐ３が設けられている
【０１２６】
非配置領域Ｐ３と電気化学反応部４３の大きさ、すなわち筒状支持体３１の軸方向に沿った長さは、電気化学素子Ｅの使用時の温度、筒状支持体３１の材質等を考慮して決定されるが、非配置領域Ｐ３の長さを筒状支持体３１の長さの１／５〜１／６とし、電気化学反応部４３の長さを筒状支持体３１の平面の長さの４／５〜５／６とすると、例えば電気化学素子Ｅを燃料電池として使用した場合、電気化学反応部４３の温度を約７００℃程度としても、筒状支持体３１とガスマニホールド１７との接合部は約６００℃以下とすることができるため、高温の電気化学反応部４３から接合部が受ける熱影響が小さくなるので、接合部の耐久性が向上する。また、接合部が電気化学反応部４３と比べて低温になるので、ガスマニホールド１７と筒状支持体３１との接合に用いる接合部材に、耐熱温度が比較的低いものを用いることができ、ガスマニホールド１７への電気化学素子Ｅの取り付けを容易かつ低コストにすることができる。
【０１２７】
＜別実施形態＞
（１）以上の実施形態では、電気化学素子Ｅが燃料電池セルとして動作して発電した。電気化学素子Ｅを、水を電気分解して水素を生成する固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）として動作させてもよい。
【０１２８】
（２）筒状支持体３１の材料として、導電性を有する金属酸化物を用いることもできる。例えば、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ3（カルシウムドープランタンクロマイト）に代表される金属酸化物等を用いることもできる。
【０１２９】
（３）以上の実施形態では、筒状支持体３１を平板部材３２とＵ字部材３３を接合して構成したが、３つ以上の部材を接合して構成してもよい。例えば筒状支持体３１を、４枚の平板を接合して中空の四角柱として構成してもよい。また、筒状支持体３１を１つの部材から構成してもよい。例えば、筒状支持体３１を断面が円形、四角形や楕円形のパイプから作成してもよいし、断面が長円（平行な２辺とそれらをつなぐ円弧からなる断面）となる筒状平板から構成してもよい。また、筒状支持体３１は、平板部材３２とＵ字部材３３の別体の接合によらず深絞りプレス加工等により一体材料により形成しても良い。
【０１３０】
（４）以上の実施形態では、電気化学反応部４３が燃料極４４、中間層４５、電解質層４６、中間層４７および空気極４８を有していたが、中間層４５または中間層４７、あるいは中間層４５および中間層４７の両方を備えない構成も可能である。
【０１３１】
（５）以上の実施形態では、電気化学反応部４３が筒状支持体３１の外側に配置されていたが、筒状支持体３１の内側に配置することも可能である。
【０１３２】
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【符号の説明】
【０１３３】
１      ：脱硫器
４      ：改質器
５      ：ブロア（第２気体供給部）
８      ：インバータ
１７    ：ガスマニホールド（第１気体供給部、第３気体供給部）
２３    ：熱交換器（排熱利用部）
３１    ：筒状支持体
３２    ：平板部材（平面部）
３８    ：貫通孔
４３    ：電気化学反応部
４４    ：燃料極
４５    ：中間層
４６    ：電解質層
４７    ：中間層
４８    ：空気極
６１    ：気体透過部材
６２    ：開口部
６５    ：シール材
Ｅ      ：電気化学素子
Ｅ１    ：第１電気化学素子
Ｅ２    ：第２電気化学素子
Ｍ      ：電気化学モジュール
Ｐ１    ：気体通流禁止部
Ｐ２    ：気体通流許容部（穿孔領域）
Ｐ３    ：非配置領域
Ｓ      ：気体供給空間
【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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【図１１】
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【図１２】
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