(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を電解して水素を取り出すための電気化学セルと、
前記電気化学セルを覆うセパレータと、
前記セパレータ内に設けられ、前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第１の流路と、
前記セパレータ内に設けられ、前記第１の流路よりも水蒸気の圧力損失を小さくして前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第２の流路と、
を備え、
前記第１及び第２の流路の内壁面は、それぞれ曲率面によって形成されており、
前記第２の流路の内壁面は、前記第１の流路の内壁面よりも曲率が小さい、
電気化学セルスタック。
【請求項２】
前記第２の流路は、前記第１の流路よりも、前記電気化学セルスタック本体の縁部側に配置されている、
請求項１に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３】
水蒸気を電解して水素を取り出すための電気化学セルと、
前記電気化学セルを覆うセパレータと、
前記セパレータ内に設けられ、前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第１の流路と、
前記セパレータ内に設けられ、前記第１の流路よりも水蒸気の圧力損失を小さくして前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第２の流路と、
を備え、
前記第２の流路は、前記第１の流路よりも、前記電気化学セルスタック本体の縁部側に配置されている、
電気化学セルスタック。
【請求項４】
前記第１及び第２の流路が設けられた前記セパレータと前記電気化学セルとをユニット化した単位セルユニットを複数備え、
複数の前記単位セルユニットは、互いに積層されていると共に、積層方向において隣接する前記単位セルユニットどうしは、前記積層方向に対して直交する方向において前記第１の流路と前記第２の流路との配置関係が互いに異なっている、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
【請求項５】
前記セパレータの内部に形成され、前記第２の流路よりも水蒸気の圧力損失を小さくして前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第３の流路をさらに備え、
前記第３の流路は、前記第２の流路よりも、前記電気化学セルスタック本体の縁部側に配置されている、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
【請求項６】
水蒸気を電解して水素を取り出すための電気化学セルと、
前記電気化学セルを覆うセパレータと、
前記セパレータ内に設けられ、前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第１の流路と、
前記セパレータ内に設けられ、前記第１の流路よりも水蒸気の圧力損失を小さくして前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第２の流路と、
前記セパレータの内部に形成され、前記第２の流路よりも水蒸気の圧力損失を小さくして前記電気化学セルへ水蒸気を供給する第３の流路と
を備え、
前記第３の流路は、前記第２の流路よりも、前記電気化学セルスタック本体の縁部側に配置されている、
電気化学セルスタック。
【請求項７】
前記セパレータは、
セパレータ本体と、
少なくとも前記第１及び第２の流路が形成されかつ前記セパレータ本体に対して着脱自在な入れ子と、
を備える請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気化学セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell）などの電気化学セルを電気炉内に収容し、例えば７００℃以上の高温環境下にて水蒸気を電解することで水素を製造する高温水蒸気電解システムが提案されている。さらに、このような高温水蒸気電解システムを利用した電力の貯蔵なども検討されている。【０００３】
電気化学セルは、一般的には、複数個を積層（スタック化）した電気化学セルスタックの形態で使用することによって、出力の増加が図られている。ここで、電気化学セルスタックは、水蒸気を電解する吸熱反応時では、所望の電解性能を確保するために、当該電気化学セルスタックをその外側からヒータで加熱することによって、吸熱反応による温度の低下が補われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１６５１３５号公報
【特許文献２】特開２０１５−０５６２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電気化学セルスタックの中心部付近は、周縁部付近に比べてヒータの熱が伝達され難いため、温度が低下しやく、これに伴い電解性能の低下が懸念される。【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、各部における電解性能の均一化を図れる電気化学セルスタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施の形態に係る電気化学セルスタックは、電気化学セル、セパレータ、並びに、第１及び第２の流路を備えている。電気化学セルは、水蒸気を電解して水素を取り出すためのものである。セパレータは、電気化学セルを覆う。第１の流路は、セパレータ内に設けられ、電気化学セルへ水蒸気を供給する。第２の流路は、セパレータ内に設けられ、第１の流路よりも水蒸気の圧力損失を小さくして電気化学セルへ水蒸気を供給する。第１及び第２の流路の内壁面は、それぞれ曲率面によって形成されており、第２の流路の内壁面は、前記第１の流路の内壁面よりも曲率が小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る電気化学セルスタックの構造を示す断面図。
【図２】図１に示す電気化学セルスタックが備えるセパレータの平面図。
【図３】第２の実施形態に係る電気化学セルスタックの構造を示す断面図。
【図４】図３に示す電気化学セルスタックが備えるセパレータの平面図。
【図５】第３の実施形態に係る電気化学セルスタックの構造を示す断面図。
【図６】図５に示す電気化学セルスタックが備えるセパレータの平面図。
【図７】第４の実施形態に係る電気化学セルスタックの構造を示す断面図。
【図８】図７に示す電気化学セルスタックが備えるセパレータの平面図。
【図９】第５の実施形態に係る電気化学セルスタックの構造を示す断面図。
【図１０】図９に示す電気化学セルスタックが備えるセパレータの平面図。
【図１１】図１０に示すセパレータとは流路のレイアウトが異なる他のセパレータの平面図。
【図１２Ａ】図９の電気化学セルスタックに供給される水蒸気の流量の分布を示す図。
【図１２Ｂ】図１２Ａの電気化学セルスタックの電解反応時の温度分布を示す図。
【図１３Ａ】比較例の電気化学セルスタックに供給される水蒸気の流量の分布を示す図。
【図１３Ｂ】図１３Ａの電気化学セルスタックの電解反応時の温度分布を示す図。
【図１４】第６の実施形態に係る電気化学セルスタックの構造を示す断面図。
【図１５】図１４の電気化学セルスタックが備えるセパレータの構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態に係る電気化学セルスタック１０は、複数（例えば４〜２５個）の単位セルユニット８を積層一体化（スタック化）して構成されている。電気化学セルスタック１０は、複数のヒータ９が配置された電気炉内に収容され、例えば７００℃以上の高温環境下におかれている。
【００１０】
個々の単位セルユニット８は、電気化学セル（単位電解セル）７と、集電材６と、この集電材６と共に電気化学セル７を覆うセパレータ５と、を主にユニット化した構造体である。電気化学セル７は、例えば固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell）であって、上記した高温環境下で水蒸気を電解（電気分解）して（固体酸化物型燃料電池［ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell］で起こる反応の逆反応によって）、水素極で水素を取り出し、酸素極に酸素を生じさせる。
【００１１】
集電材６は、電気化学セル７の水素極側に接する位置に配置された水素極集電材である。また、電気化学セル７の酸素極側に接する位置には、酸素極集電材が配置されている。また、各単位セルユニット８内の電気化学セル７のどうしは、出力の増加を図るために、互いに直列に接続されており、さらに、電解電流を通電するためのブスバーと接続されている。
【００１２】
図１及び図２に示すように、セパレータ５の内部には、電気化学セル７の水素極側へ水蒸気を供給するための第１の流路（第１の水蒸気供給流路）及び複数の第２の流路（第２の水蒸気供給流路）２が設けられている。複数の第１及び第２の流路１、２は、電気化学セル７の水素極表面に沿った方向にそれぞれ配列されている。また、複数の第１及び第２の流路１、２は、例えばステンレス鋼などを材料とするセパレータ５の表面に切削加工などを施すことによって形成されている。
【００１３】
ここで、第２の流路は、第１の流路よりも大きい幅で形成されている。つまり、第２の流路２は、当該流路内を流れる水蒸気の圧力損失を、第１の流路１よりも、小さくなるように構成した低圧損流路である。さらに、第２の流路は、電気化学セルスタック１０の中心部付近（中央部付近）に配置された第１の流路１よりも、電気化学セルスタック１０の縁部側（周縁部付近）に配置されている。
【００１４】
したがって、水蒸気の電解反応時において、電気化学セルスタック１０の中心部付近よりも、電気化学セルスタック１０の縁部付近のほうが、水蒸気の流量（供給量）が多く電解反応（吸熱反応）が活性化することになる。言い換えると、ヒータ９の熱が伝達されやすい電気化学セルスタック１０の縁部付近では、吸熱反応が増大して温度が低減され、一方、ヒータ９の熱が伝達され難い電気化学セルスタック１０の中心部付近では、吸熱反応が抑えられ温度の低下も緩和される。これにより、電気化学セルスタック１０全体の温度分布の均一化が図られる。
【００１５】
既述したように、本実施形態の電気化学セルスタック１０によれば、電解反応時の温度分布のばらつきが抑えられるため、各部における電解性能の均一化を図ることができる。
【００１６】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図３、図４に基づき説明する。なお、図３、図４において、図１、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００１７】
図３、図４に示すように、本実施形態の電気化学セルスタック２０は、第１の実施形態の単位セルユニット８に代えて、単位セルユニット２８を備えている。単位セルユニット２８は、第１、第２の流路１、２が設けられたセパレータ５に代えて、第１〜第３の流路２１〜２３が設けられたセパレータ２５を備えている。
【００１８】
ここで、第２の流路２２は、第１の流路２１よりも幅を大きくすることで、当該第２の流路２２内を流れる水蒸気の圧力損失を、第１の流路２１よりも小さくするように構成した中圧損流路である。また、第３の流路２３は、第２の流路２２よりもさらに幅を大きくすることで、当該第３の流路２３内を流れる水蒸気の圧力損失を、第２の流路２２よりもさらに小さくするように構成した低圧損流路である。
【００１９】
また、第２の流路は、電気化学セルスタック２０の中心部付近（中央部付近）に配置された第１の流路２１よりも、電気化学セルスタック２０の縁部側に近い位置に配置されている。さらに、第３の流路２３は、第２の流路２２よりも、電気化学セルスタック２０の縁部側に配置されている。
【００２０】
つまり、第１〜第３の流路２１〜２３は、電気化学セルスタック２０の中心部側から縁部側に向うにつれて、段階的に、圧力損失が低減（流路幅が拡大）する順序で配列されている。
【００２１】
このように、本実施形態の電気化学セルスタック２０では、水蒸気の電解反応時において、電気化学セルスタック２０の中心部側から縁部側に向うにつれて、段階的に電解反応（吸熱反応）を高めることができる。これにより、ヒータ９の熱が伝達されやすい電気化学セルスタック２０の縁部側から、ヒータ９の熱が伝達され難い電気化学セルスタック２０の中心部側へ向うについて、温度の低下が段階的に緩和されることになる。
【００２２】
したがって、電気化学セルスタック２０によれば、電解反応時の温度分布の均一化を図ることができるで、例えば熱応力などに起因する電気化学セル７の破損を抑制できると共に、電解性能の分部的な低下も抑えることができる。
【００２３】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態を図５、図６に基づき説明する。なお、図５、図６において、図１、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００２４】
図５、図６に示すように、本実施形態の電気化学セルスタック３０は、第２の実施形態の単位セルユニット２８に代えて、単位セルユニット３８を備えている。単位セルユニット３８は、第１〜第３の流路２１〜２３が設けられたセパレータ２５に代えて、第１〜第３の流路３１〜３３が設けられたセパレータ３５を備えている。
【００２５】
また、第１〜第３の流路３１〜３３は、それぞれの内壁面が曲率面によって形成された断面の外形が半円状の流路である。ここで、第２の流路３２は、第１の流路３１よりも内壁面の曲率を小さく（曲率半径を大きく）することで、当該第２の流路３２内を流れる水蒸気の圧力損失を、第１の流路３１よりも小さくするように構成した中圧損半円流路である。また、第３の流路３３は、第２の流路３２よりも内壁面の曲率をさらに小さく（曲率半径を大きく）することで、当該第３の流路３３内を流れる水蒸気の圧力損失を、第２の流路３２よりもさらに小さくするように構成した低圧損半円流路である。
【００２６】
すなわち、第１〜第３の流路３１〜３３は、電気化学セルスタック１０の中心部側から縁部側に向うにつれて、段階的に、圧力損失が低減（曲率半径を大きく）する順序で配列されている。
【００２７】
このように、本実施形態の電気化学セルスタック３０では、内壁面が曲率面で構成された第１〜第３の流路３１〜３３を適用することで、導電率の高い例えばステンレス鋼製のセパレータ３５と集電材６との接触領域（所望の導電性）を確保しつつ、しかも、水蒸気と電気化学セル７との接触領域を極力狭めずに、複数の電気化学セル７の平面温度のばらつきを抑えることができる。したがって、電気化学セルスタック３０によれば、各部における電解性能の均一化を図ることができる。
【００２８】
＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態を図７、図８に基づき説明する。なお、図７、図８において、図１、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００２９】
図７、図８に示すように、本実施形態の電気化学セルスタック４０は、第１の実施形態の単位セルユニット８に代えて、単位セルユニット４８を備えている。単位セルユニット４８は、第１、第２の流路１、２が設けられたセパレータ５に代えて、第１、第２の流路４１、４２が設けられたセパレータ４５を備えている。
【００３０】
ここで、第２の流路４２は、第１の流路４１よりも深さを深くすることで、当該第２の流路４２内を流れる水蒸気の圧力損失を、第１の流路４１よりも小さくするように構成した深溝低圧損流路である。さらに、第２の流路は、電気化学セルスタック４０の中心部付近に配置された第１の流路４１よりも、電気化学セルスタック４０の縁部側に配置されている。
【００３１】
したがって、本実施形態の電気化学セルスタック４０によれば、深さを調整した第１、第２の流路４１、４２を適用することで、セパレータ４５と集電材６との接触領域を確保しつつ、しかも、水蒸気と電気化学セル７との接触領域を極力狭めずに、当該電気化学セルスタック４０全体にわたっての電解性能の均一化を図ることができる。
【００３２】
＜第５の実施の形態＞
次に、第５の実施の形態を図９〜図１３Ｂに基づき説明する。なお、図９〜図１１において、図１、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００３３】
図９〜図１１に示すように、本実施形態の電気化学セルスタック５０は、第１の実施形態のセパレータ５を有する単位セルユニット８に加え、セパレータ５５を有する単位セルユニット５８と、セパレータ５６を有する単位セルユニット５９と、をさらに備えている。セパレータ５５、５６は、セパレータ５における第１及び第２の流路１、２のレイアウトがそれぞれ変更されている。
【００３４】
具体的には、複数の単位セルユニット８、５８、５９は、互いに積層されていると共に、積層方向において隣接する単位セルユニットどうし（単位セルユニット８と単位セルユニット５８との組み、又は単位セルユニット５８と単位セルユニット５９との組み）は、第１の流路１と第２の流路２との配置関係が互いに異なっている。
【００３５】
詳述すると、図９〜図１１に示すように、電気化学セルスタック５０本体の上段側及び下段側に配置されたセパレータ５６は、第１の流路１よりも幅の大きい第２の流路（低圧損流路）２を中心部に設けた中心部流量増加セパレータである。一方、電気化学セルスタック５０本体の中段部分に配置されたセパレータ８は、第１の実施形態で例示したように、第２の流路（低圧損流路）２を縁部に設けた縁部流量増加セパレータである。さらに、セパレータ８とセパレータ５９との間の段に配置されたセパレータ５５は、第２の流路（低圧損流路）２が、セパレータ５８本体の中心部と縁部との間に設けられている。
【００３６】
ここで、図１２Ａは、本実施形態の電気化学セルスタック５０に供給される水蒸気の流量の分布を概略的に示している。また、図１２Ｂは、電気化学セルスタックの電解反応時の温度分布を概略的に示している。図１２Ａにおいて、５０ａは、電解反応前の比較的温度が低い領域を示しており、また、第２の流路（低圧損流路）２の位置に対応した水蒸気の流れる領域を、矩形の領域で図示したものである。さらに、図１２Ｂにおいて、５０ｃは、ヒータ９の配置された電気炉内での熱の伝達（上下左右方向からの熱の伝達）を矢印図形で示しており、５０ｂは、電解反応（吸熱反応）が生じているときの理想的な目標温度よりも比較的温度が低くなっている領域を示している。第１及び第２の流路１、２を図９に示したレイアウトで配置することで、図１２Ａ、１２Ｂに示すように、電気化学セルスタック５０の温度分布のばらつきを抑制することができる。
【００３７】
一方、図１３Ａ、１３Ｂに示すように、第２の流路（低圧損流路）２などをセパレータに設けていない比較例の電気化学セルスタック９０では、目標温度よりも比較的温度が低くなっている領域５０ｂが、上記した図１２Ｂと比べて多く存在する結果となる。
【００３８】
これに対して、本実施形態の電気化学セルスタック５０によれば、図１２Ａ、１２Ｂに例示したように、電気化学セル７の表面に沿った方向における温度分布の制御に加え、単位セルユニットの積層方向における温度分布の制御も可能なので、当該電気化学セルスタック５０全体の電解性能のさらなる均一化を図ることができる。
【００３９】
なお、図９の例では、第１及び第２の流路（低圧損流路）２のレイアウトを、単位セルユニットの積層方向に対して３種類例示したが、このレイアウトを、図１２Ａに示したように、４種類以上に増やすと共に、単位セルユニットの積層数を図９の例よりも増加させることで、より細かい温度制御が可能となる。また、図３などに示したように、第２の流路（中圧損流路）２２及び第３の流路２３（低圧損流路）などを流路の配置関係のバリエーションに加えることで、さらに緻密な温度制御が可能となる。
【００４０】
＜第６の実施の形態＞
次に、第６の実施の形態を図１４、図１５に基づき説明する。なお、図１４、図１５において、図９に示した第５の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。
【００４１】
図１４、図１５に示すように、本実施形態の電気化学セルスタック６０は、第５の実施形態の単位セルユニット５９に代えて、単位セルユニット６８を備えている。単位セルユニット６８は、セパレータ５６に代えて、セパレータ６５を備えている。
【００４２】
セパレータ６５は、いわゆる入れ子構造を有しており、セパレータ本体６５ａと、入れ子６５ｃと、の２ピース構造で構成されている。つまり、入れ子６５ｃは、セパレータ本体６５ａに対して着脱自在である。詳述すると、入れ子６５ｃには、例えば、第１及び第２の流路１、２が形成されている。一方、セパレータ本体６５ａには、入れ子６５ｃの外形部分と嵌合する凹部６５ｂが形成されている。
【００４３】
本実施形態の電気化学セルスタック６０によれば、入れ子６５ｃに対して個別に流路を形成できるので、セパレータ本体６５ａを共通部品（流用部品）として適用することが可能となる。また、セパレータ本体６５ａは、共通部品となることから、金型加工などを利用することも可能となり、これにより、セパレータの生産性を向上させることができる。
【００４４】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電気化学セルスタックの各部における電解性能の均一化を図ることができる。
【００４５】
以上、本発明のいくつか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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】
【００４６】
１，２１，３１，４１…第１の流路、２，２２，３２，４２…第２の流路、５，２５，３５，４５，５５，５６，６５…セパレータ、７…電気化学セル、８，２８，３８，４８，５８，５９…単位セルユニット、１０，２０，３０，４０，５０，６０…電気化学セルスタック、２３，３３…第３の流路、６５ａ…セパレータ本体、６５ｂ…凹部、６５ｃ…入れ子。
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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