JP2001273914A - Electrochemical device and accumulated electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学セルを複
数備えた一体型の電気化学装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integrated electrochemical device having a plurality of electrochemical cells.
【0002】[0002]
【従来の技術】「燃料電池発電」(電気学会、燃料電池
の運転性調査専門委員会編)コロナ社、第77頁には、
多孔質基体上に複数の固体電解質型燃料電池の単電池を
形成することが記載されている。即ち、多孔質基体の表
面上に、微細な空気極、固体電解質膜、燃料極を順次形
成することで各単電池を形成する。この際、多孔質基体
上に多数の単電池を形成する。そして、隣接する単電池
の燃料極と空気極との間にインターコネクター膜をそれ
ぞれ形成し、隣接する単電池を電気的に直列接続する。
そして、多孔質基体を酸化性ガスが透過し、多孔質基体
に接触している空気極内を拡散する。この一方、燃料ガ
スは燃料極を透過し、発電に寄与する。2. Description of the Related Art "Fuel cell power generation" (edited by the Institute of Electrical Engineers of Japan, Special Committee on Fuel Cell Drivability Investigation) Corona, page 77,
It is described that a plurality of solid oxide fuel cells are formed on a porous substrate. That is, each cell is formed by sequentially forming a fine air electrode, a solid electrolyte membrane, and a fuel electrode on the surface of the porous substrate. At this time, a number of unit cells are formed on the porous substrate. Then, an interconnector film is formed between the fuel electrode and the air electrode of the adjacent unit cells, respectively, and the adjacent unit cells are electrically connected in series.
Then, the oxidizing gas permeates the porous substrate and diffuses in the air electrode in contact with the porous substrate. On the other hand, the fuel gas passes through the fuel electrode and contributes to power generation.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】こうした集合電池は、
小さい体積内に多数の発電素子を集積し、単位空間当た
りの発電量を向上させ得るものであり、このため優れた
設計思想として認知されてきた。SUMMARY OF THE INVENTION
A large number of power generation elements can be integrated in a small volume to improve the power generation amount per unit space, and thus have been recognized as an excellent design concept.
【0004】しかし、本発明者が更に検討を加えてみる
と、実際には以下の困難な問題があった。即ち、例えば
酸化性ガスは、いったん多孔質基板を通過し、その後
で、多孔質基板に接触する空気極内を拡散する必要があ
る。しかし、多孔質基板は、集合電池の全体の構造強度
を保持する部分であり、このためにある程度の厚さと緻
密性とが必要である。ところが、多孔質基板が厚くな
り、あるいは気孔率を低下させると、多孔質基板中を酸
化性ガスが透過しにくくなり、このために多孔質基板に
接触する空気極内まで拡散しにくく、利用効率が低くな
る。[0004] However, when the present inventor further studies, there are actually the following difficult problems. That is, for example, the oxidizing gas needs to pass through the porous substrate once, and thereafter diffuse in the air electrode in contact with the porous substrate. However, the porous substrate is a portion that maintains the overall structural strength of the assembled battery, and therefore requires a certain degree of thickness and denseness. However, when the porous substrate is thickened or the porosity is reduced, the oxidizing gas hardly permeates through the porous substrate, so that it is difficult for the oxidizing gas to diffuse into the air electrode in contact with the porous substrate, and the utilization efficiency is reduced. Becomes lower.
【0005】また、隣接する電気化学セルは、多孔質基
板上に成膜されたインターコネクター膜によって接続す
る必要がある。従って、インターコネクターは、燃料ガ
スに曝露されると共に、多孔質基板を拡散してくる酸化
性ガスに対しても必然的に曝露される。この曝露時の温
度は例えば1000℃である。このため、インターコネ
クターの材質は、高い導電性、高温における酸化ガスへ
の安定性、および高温における燃料ガスへの安定性とい
う3つの条件を備えていなければならないが、実際には
こうした材質はほとんど知られていない。この結果、隣
接する単電池間の接続に伴う抵抗が大きくなったり、あ
るいは長期間運転すると、インターコネクターの材質の
劣化によって単電池間の接続抵抗が増大したりする。Further, adjacent electrochemical cells must be connected by an interconnector film formed on a porous substrate. Therefore, the interconnector is exposed not only to the fuel gas but also to the oxidizing gas diffusing through the porous substrate. The temperature at the time of this exposure is, for example, 1000 ° C. For this reason, the material of the interconnector must have three conditions: high conductivity, stability to oxidizing gas at high temperature, and stability to fuel gas at high temperature. unknown. As a result, the resistance associated with the connection between the adjacent cells increases, or when operated for a long period of time, the connection resistance between the cells increases due to the deterioration of the material of the interconnector.
【0006】本発明の課題は、複数の電気化学セルを電
気的に接続してなる構造の電気化学装置において、各電
気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減
らすことができるようにし、かつ、隣接する電気化学セ
ルの接続部分の材質の劣化を抑制できるようにすること
である。An object of the present invention is to reduce the diffusion resistance of each gas up to each electrode of each electrochemical cell in an electrochemical device having a structure in which a plurality of electrochemical cells are electrically connected. And the deterioration of the material of the connection part of the adjacent electrochemical cell can be suppressed.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、固体電解質層
と、この固体電解質層上に設けられた複数の第一の電極
と、固体電解質層上に設けられた複数の第二の電極とを
備えており、第一の電極と第二の電極とによって複数の
電気化学セルが構成されている電気化学装置であって、
固体電解質層を貫通する少なくとも一つのスルーホール
導電体を備えており、隣接する少なくとも二つの電気化
学セルがスルーホール導電体を介して電気的に接続され
ていることを特徴とする。The present invention comprises a solid electrolyte layer, a plurality of first electrodes provided on the solid electrolyte layer, and a plurality of second electrodes provided on the solid electrolyte layer. An electrochemical device in which a plurality of electrochemical cells are configured by the first electrode and the second electrode,
At least one through-hole conductor penetrating the solid electrolyte layer is provided, and at least two adjacent electrochemical cells are electrically connected via the through-hole conductor.
【0008】以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を説
明する。Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
【0009】図1(a)は、本発明の一実施形態に係る
電気化学装置5を示す断面図であり、(b)は、図1
(a)の装置5を第一の電極16側から見た平面図であ
る。FIG. 1A is a cross-sectional view showing an electrochemical device 5 according to one embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3A is a plan view of the device 5 as viewed from a first electrode 16 side.
【0010】図1の装置5には、複数個、例えば4個の
電気化学セル15が設けられており、各セル15は互い
に直列接続されている。即ち、固体電解質層9は、本例
では平面的に見て長方形の平板形状をしている。固体電
解質層9の一方の面9c上には第一の電極16が例えば
4個形成されており、他方の面9d上には第二の電極1
7が例えば4個形成されている。各第一の電極16は、
それぞれ対応する第二の電極17と電気化学セル15を
構成している。Bは、電気化学装置5の主要な作用領域
である。The apparatus 5 of FIG. 1 is provided with a plurality of, for example, four, electrochemical cells 15, each of which is connected in series. That is, in this example, the solid electrolyte layer 9 has a rectangular flat plate shape in plan view. For example, four first electrodes 16 are formed on one surface 9c of the solid electrolyte layer 9, and the second electrode 1 is formed on the other surface 9d.
7 are formed, for example. Each first electrode 16
Each corresponding second electrode 17 and electrochemical cell 15 are configured. B is the main working area of the electrochemical device 5.
【0011】隣接する第一の電極16の間には細長い隙
間23が形成されており、隣接するセルの電極16間を
絶縁している。また、隣接する第二の電極17の間には
細長い隙間24が形成されており、隣接するセルの電極
17間を絶縁している。各電極16の端部は、隣接する
セルの電極17の端部に対して、固体電解質層9を挟ん
で対向している。固体電解質層9内には、前記した端部
の対向領域においてスルーホール導電体22が設けられ
ている。各スルーホール導電体22によって、隣接する
電気化学セル15の電極16と17とが直列に接続され
ている。An elongated gap 23 is formed between adjacent first electrodes 16 to insulate between adjacent electrodes 16. An elongated gap 24 is formed between the adjacent second electrodes 17 to insulate between the electrodes 17 of the adjacent cells. An end of each electrode 16 is opposed to an end of an electrode 17 of an adjacent cell with the solid electrolyte layer 9 interposed therebetween. In the solid electrolyte layer 9, a through-hole conductor 22 is provided in a region facing the above-mentioned end portion. The electrodes 16 and 17 of the adjacent electrochemical cell 15 are connected in series by each through-hole conductor 22.
【0012】こうした電気化学装置によれば、1枚の基
板上に複数の電気化学セルを設けた装置において、各電
気化学セルの各電極に至るまでの各ガスの拡散抵抗を減
らすことができる。なぜなら、固体電解質層それ自体
を、全体を支持する基板として使用し、別体の多孔質基
板を必要としないからである。また、スルーホール導電
体22の側周面は固体電解質層9によって被覆されてお
り、従って酸化性ガスや燃料ガスには曝露されないの
で、スルーホール導電体の材質の劣化も生じにくい。む
ろん、スルーホール導電体22の図1において上側端面
と下側端面のみは、電極16、17を介して拡散してき
た外部のガスに対して接触する。しかし、これは電極を
拡散透過してきた後のガスなので、ガス中の酸素や燃料
の濃度は低く、ガスの絶対量も少ないので、スルーホー
ル導電体の劣化の度合いは少ない。According to such an electrochemical device, in a device in which a plurality of electrochemical cells are provided on one substrate, the diffusion resistance of each gas up to each electrode of each electrochemical cell can be reduced. This is because the solid electrolyte layer itself is used as a substrate for supporting the whole, and a separate porous substrate is not required. Further, since the side peripheral surface of the through-hole conductor 22 is covered with the solid electrolyte layer 9 and is not exposed to the oxidizing gas or the fuel gas, the material of the through-hole conductor is hardly deteriorated. Of course, only the upper end face and the lower end face in FIG. 1 of the through-hole conductor 22 come into contact with the external gas diffused through the electrodes 16 and 17. However, since this is a gas after being diffused and transmitted through the electrode, the concentration of oxygen and fuel in the gas is low and the absolute amount of the gas is also small, so that the degree of deterioration of the through-hole conductor is small.
【0013】なお、図1の例では、隣接するセル15を
直列接続した。このように、一枚の固体電解質層におい
て複数の電気化学セルを直列接続することで、例えば取
り出し電圧を増大させることができ、その分電流値を低
減させることができる。電流値が減少すると、それだけ
装置内部における電流損失を低減できる。In the example shown in FIG. 1, adjacent cells 15 are connected in series. Thus, by connecting a plurality of electrochemical cells in series in one solid electrolyte layer, for example, the extraction voltage can be increased, and the current value can be reduced accordingly. As the current value decreases, the current loss inside the device can be reduced accordingly.
【0014】特に好適な実施形態においては、固体電解
質層中において隣接するセルを直列接続する。しかし、
隣接するセルを並列接続することも可能である。In a particularly preferred embodiment, adjacent cells in the solid electrolyte layer are connected in series. But,
It is also possible to connect adjacent cells in parallel.
【0015】好適な実施形態においては、固体電解質層
の一方の面上に複数の第一の電極が設けられており、固
体電解質層の他方の面上に複数の第二の電極が設けられ
ている。In a preferred embodiment, a plurality of first electrodes are provided on one surface of the solid electrolyte layer, and a plurality of second electrodes are provided on the other surface of the solid electrolyte layer. I have.
【0016】また、好適な実施形態においては、ある電
気化学セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに
隣接する他の電気化学セルの第二の電極の端部とが、固
体電解質層を挟んで対向する位置に設けられており、第
一の電極の端部と第二の電極の端部とが、スルーホール
導電体によって電気的に接続されている。ここで、第一
の電極の端部と第二の電極の端部とが固体電解質層を挟
んで対向する位置に設けられているとは、固体電解質層
に対して垂直な方向X(図1(a)参照)から見て重複
する位置にあることを意味している。この場合には、こ
の重複領域内にスルーホール導電体を設けることによっ
て、第一の電極の端部と第二の電極の端部とを容易に接
続できる。In a preferred embodiment, an end of a first electrode of one electrochemical cell and an end of a second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell are solid. The electrodes are provided at positions facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween, and the end of the first electrode and the end of the second electrode are electrically connected by a through-hole conductor. Here, that the end of the first electrode and the end of the second electrode are provided at positions facing each other with the solid electrolyte layer interposed therebetween is defined as a direction X perpendicular to the solid electrolyte layer (see FIG. 1). (See (a))). In this case, by providing a through-hole conductor in this overlapping region, the end of the first electrode and the end of the second electrode can be easily connected.
【0017】本発明の電気化学装置は、固体電解質型燃
料電池の他、酸素ポンプや高温水蒸気電解セルとして使
用できる。このセルは、水素の製造装置に使用でき、ま
た水蒸気の除去装置に使用できる。更に、本発明の装置
を、NOx、炭化水素、一酸化炭素の各分解セルとして
使用できる。The electrochemical device of the present invention can be used as an oxygen pump or a high-temperature steam electrolysis cell in addition to a solid oxide fuel cell. This cell can be used for a hydrogen production device and a steam removal device. Further, the apparatus of the present invention can be used as a NOx, hydrocarbon, and carbon monoxide decomposition cell.
【0018】第一のガスと第二のガスは、同じであって
も、異なっていてもよい。その種類は、酸化性ガス、還
元性ガス、不活性ガスなどがあり、用途によって好まし
い実施形態がある。The first gas and the second gas may be the same or different. The types include an oxidizing gas, a reducing gas, an inert gas, and the like, and there is a preferred embodiment depending on the application.
【0019】燃料電池の場合には、第一のガスが酸化性
ガスであり、第二のガスが還元性ガスである。酸化性ガ
スとしては、空気や酸素などがある。また、還元性ガス
としては、水素やメタン、一酸化炭素などを含むガスを
例示できる。燃料電池では、第一の電極が電位が高く、
陽極であり、第二の電極は電位が低く、陰極である。こ
の場合の第一の電極はカソード、第二の電極はアノード
の働きをする。In the case of a fuel cell, the first gas is an oxidizing gas and the second gas is a reducing gas. Examples of the oxidizing gas include air and oxygen. Examples of the reducing gas include a gas containing hydrogen, methane, carbon monoxide, and the like. In a fuel cell, the first electrode has a high potential,
The anode is the anode, and the second electrode has a low potential and is the cathode. In this case, the first electrode functions as a cathode and the second electrode functions as an anode.
【0020】更に、酸素ポンプの場合には、第一、第二
のガスは酸化性であっても、還元性ガスであってもよ
い。たとえば、第一のガスは空気や酸素であり、第二の
ガスが酸素を注入される側のプロセスガスであり、不活
性ガスなどを例示できる。この場合、第一の電極は陰極
でカソードとして働き、また、第二の電極は陽極でアノ
ードとして働く。Further, in the case of an oxygen pump, the first and second gases may be oxidizing or reducing gas. For example, the first gas is air or oxygen, the second gas is a process gas on the side into which oxygen is injected, and examples thereof include an inert gas. In this case, the first electrode acts as a cathode and acts as a cathode, and the second electrode acts as an anode and acts as an anode.
【0021】また、NOx分解装置や水蒸気除去装置の
場合、第一のガスは、不活性ガスや空気である。第二の
ガスは、NOxや水蒸気を含むプロセスガスであり、各
種内燃機関の排ガスの他、不活性ガスや水素、メタンで
ある。この場合、第一の電極は陰極でカソードとして働
き、また、第二の電極は陽極でアノードとして働く。In the case of a NOx decomposing device or a water vapor removing device, the first gas is an inert gas or air. The second gas is a process gas containing NOx and water vapor, and is an inert gas, hydrogen, or methane in addition to exhaust gas from various internal combustion engines. In this case, the first electrode acts as a cathode and acts as a cathode, and the second electrode acts as an anode and acts as an anode.
【0022】固体電解質層の材質は、イットリア安定化
ジルコニア、イットリア部分安定化ジルコニア、酸化セ
リウム系セラミックスの他、ランタンガレート、スカン
ジア安定化ジルコニア、イッテルビア安定化ジルコニア
を例示できる。Examples of the material of the solid electrolyte layer include lanthanum gallate, scandia-stabilized zirconia, and ytterbia-stabilized zirconia, in addition to yttria-stabilized zirconia, yttria partially-stabilized zirconia, and cerium oxide-based ceramics.
【0023】陽極の主原料は、ランタンを含有するペロ
ブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタ
ンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが
更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。
ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウ
ム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等
をドープしたものであってよい。The main raw material of the anode is preferably a perovskite-type composite oxide containing lanthanum, more preferably lanthanum manganite or lanthanum cobaltite, and more preferably lanthanum manganite.
Lanthanum manganite may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum and the like.
【0024】陰極の主原料は、ニッケル、酸化ニッケ
ル、ニッケル─ジルコニア混合粉末、酸化ニッケル─ジ
ルコニア混合粉末、パラジウム、白金、パラジウム−ジ
ルコニア混合粉末、白金─ジルコニア混合粉末、ニッケ
ル−セリア、酸化ニッケル−セリア、パラジウム−セリ
ア、白金−セリアの各混合粉末等が好ましい。The main raw materials of the cathode are nickel, nickel oxide, nickel-zirconia mixed powder, nickel oxide-zirconia mixed powder, palladium, platinum, palladium-zirconia mixed powder, platinum-zirconia mixed powder, nickel-ceria, nickel oxide-nickel. Ceria, palladium-ceria, platinum-ceria mixed powders and the like are preferred.
【0025】スルーホール導電体の材質は、鉄、コバル
ト、ニッケル、銅、アルミニウム、珪素、金、銀、白
金、パラジウム、ルテニウム、モリブデン、タングステ
ンなどの金属、ランタンクロマイト、ランタンコバルタ
イト、ランタンマンガナイトなどの導電性セラミック
ス、前記した金属とセラミックスとの複合材料、前記し
た導電性セラミックスとセラミックスとの複合材料が好
ましい。The materials of the through-hole conductors include metals such as iron, cobalt, nickel, copper, aluminum, silicon, gold, silver, platinum, palladium, ruthenium, molybdenum and tungsten, lanthanum chromite, lanthanum cobaltite, and lanthanum manganite. Preferred are conductive ceramics such as the above, a composite material of the aforementioned metal and ceramic, and a composite material of the aforementioned conductive ceramic and ceramic.
【0026】また、本発明は、前記の電気化学装置を複
数積層して構成した集積電気化学装置を提供するもので
ある。The present invention also provides an integrated electrochemical device comprising a plurality of the above-described electrochemical devices stacked.
【0027】好適な実施形態においては、集積電気化学
装置は、前記の電気化学装置を複数備えている。そし
て、セラミックスからなる周壁部および周壁部内に埋設
されている周壁部内スルーホール導電体を備えており、
周壁部の内側に第一のガス通路と第二のガス通路とが形
成されており、複数の固体電解質層が周壁部の内側に設
けられており、第一の電極が第一のガス通路に面してお
り、第二の電極が第二のガス通路に面している。In a preferred embodiment, an integrated electrochemical device comprises a plurality of the aforementioned electrochemical devices. And a peripheral wall portion made of ceramics and a through-hole conductor in the peripheral wall portion embedded in the peripheral wall portion,
A first gas passage and a second gas passage are formed inside the peripheral wall, a plurality of solid electrolyte layers are provided inside the peripheral wall, and the first electrode is provided in the first gas passage. And the second electrode faces the second gas passage.
【0028】図2−図4は、この実施形態に係るもので
ある。図2は、集積電気化学装置30の各層を示す分解
斜視図であり、図3は、図2のIII−III線断面図
であり、図4は、図2のIV−IV線断面図である。FIGS. 2 to 4 relate to this embodiment. FIG. 2 is an exploded perspective view showing each layer of the integrated electrochemical device 30, FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of FIG. 2, and FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. .
【0029】図3、図4の例では、例えば5列の電気化
学装置5A−5Eを積層し、集積電気化学装置内に組み
込んである。図2においては、紙面の制約から、装置の
上端から固体電解質層9Dまでの各部分を分解斜視図と
して示す。In the examples shown in FIGS. 3 and 4, for example, five rows of electrochemical devices 5A to 5E are stacked and incorporated in an integrated electrochemical device. In FIG. 2, each part from the upper end of the device to the solid electrolyte layer 9D is shown as an exploded perspective view due to space restrictions.
【0030】装置30は、複数の電気化学装置9A−9
Eを備えた機能部13と、機能部13を包囲する周壁部
12とからなる。装置30の全体は、例えばグリーンシ
ート積層法によって作製されている。即ち、末端層1A
と末端層1Bとの間に、セパレータ層8A、8B、8
C、8D、8E、8Fと、電気化学装置9A、9B、9
C、9D、9Eとが、交互に積層されている。各セパレ
ータ層8A−8Fには、それぞれ図2に示すような平面
形状の中空部が形成されており、これによって第一のガ
ス通路3および第二のガス通路4が形成されている。The device 30 includes a plurality of electrochemical devices 9A-9.
It comprises a functional part 13 having E and a peripheral wall part 12 surrounding the functional part 13. The entire device 30 is manufactured by, for example, a green sheet laminating method. That is, the terminal layer 1A
And the end layers 1B, between the separator layers 8A, 8B, 8
C, 8D, 8E, 8F and electrochemical devices 9A, 9B, 9
C, 9D, and 9E are alternately stacked. In each of the separator layers 8A to 8F, a hollow portion having a planar shape as shown in FIG. 2 is formed, whereby a first gas passage 3 and a second gas passage 4 are formed.
【0031】各電気化学装置9A−9Eは、図1を参照
しつつ説明した装置と同様である。ただし、15A、1
5Bは電気化学セルであり、16A、16Bは第一の電
極であり、17A、17Bは第二の電極である。なお、
図2においては、固体電解質層上の各電極は図示してい
ない。Each of the electrochemical devices 9A to 9E is the same as the device described with reference to FIG. However, 15A, 1
5B is an electrochemical cell, 16A and 16B are first electrodes, and 17A and 17B are second electrodes. In addition,
In FIG. 2, each electrode on the solid electrolyte layer is not shown.
【0032】本例では、装置30内において、第一のガ
ス通路3と第二のガス通路4とが交互に設けられてい
る。In this embodiment, the first gas passages 3 and the second gas passages 4 are provided alternately in the device 30.
【0033】周壁部スルーホール導電体2Aは、末端層
1A、セパレータ層8A、固体電解質層9Aを貫通して
いる。導電体2Bは、固体電解質層9Aおよびセパレー
タ層8Bを貫通している。導電体2Cは、セパレータ層
8Cおよび固体電解質層9Cを貫通している。導電体2
Dは、固体電解質層9Cおよびセパレータ層8Dを貫通
している。導電体2Eは、セパレータ層8Eおよび固体
電解質層9Eを貫通している。導電体2Fは、固体電解
質層9E、セパレータ層8Fおよび末端層1Bを貫通し
ている。なお、本例では、導電体内の電気抵抗を削減す
るために、図2に示すように、各層において各導電体を
2箇所ずつ設けてある。しかし、各導電体の個数や形状
は限定されない。The peripheral wall through-hole conductor 2A penetrates the terminal layer 1A, the separator layer 8A, and the solid electrolyte layer 9A. The conductor 2B penetrates the solid electrolyte layer 9A and the separator layer 8B. The conductor 2C penetrates through the separator layer 8C and the solid electrolyte layer 9C. Conductor 2
D penetrates the solid electrolyte layer 9C and the separator layer 8D. The conductor 2E penetrates through the separator layer 8E and the solid electrolyte layer 9E. The conductor 2F penetrates through the solid electrolyte layer 9E, the separator layer 8F, and the terminal layer 1B. In this example, in order to reduce the electric resistance in the conductor, two conductors are provided in each layer as shown in FIG. However, the number and shape of each conductor are not limited.
【0034】電気化学装置5Aの末端のセル15Aの電
極17Bは周壁部スルーホール導電体2Aに接続されて
いる。また、電気化学装置5Aの他端のセル15Aの電
極16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホ
ール導電体2Bに接続されている。同様に、電気化学装
置5Bの末端のセル15Bの電極17Bはスルーホール
導電体2Bに接続されており、他端のセル15Bの電極
16Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホー
ル導電体2Cに接続されている。同様に、電気化学装置
5Cの末端のセル15Aの電極17Bはスルーホール導
電体2Cに接続されており、他端のセル15Aの電極1
6Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール
導電体2Dに接続されている。同様に、電気化学装置5
Dの末端のセル15Bの電極17Bはスルーホール導電
体2Dに接続されており、他端のセル15Bの電極16
Bは、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導
電体2Eに接続されている。同様に、電気化学装置5E
の末端のセル15Aの電極17Bはスルーホール導電体
2Eに接続されており、他端のセル15Aの電極16B
は、周壁部12内にまで延びており、スルーホール導電
体2Fに接続されている。導電体2A、2Fは、図示し
ない外部の端子に接続されている。The electrode 17B of the cell 15A at the end of the electrochemical device 5A is connected to the peripheral wall through-hole conductor 2A. The electrode 16B of the cell 15A at the other end of the electrochemical device 5A extends to the inside of the peripheral wall portion 12 and is connected to the through-hole conductor 2B. Similarly, the electrode 17B of the cell 15B at the end of the electrochemical device 5B is connected to the through-hole conductor 2B, and the electrode 16B of the cell 15B at the other end extends to the inside of the peripheral wall portion 12, and It is connected to the body 2C. Similarly, the electrode 17B of the cell 15A at the end of the electrochemical device 5C is connected to the through-hole conductor 2C, and the electrode 1B of the cell 15A at the other end.
6B extends into the peripheral wall portion 12 and is connected to the through-hole conductor 2D. Similarly, the electrochemical device 5
The electrode 17B of the cell 15B at the end of D is connected to the through-hole conductor 2D, and the electrode 16B of the cell 15B at the other end.
B extends into the peripheral wall portion 12 and is connected to the through-hole conductor 2E. Similarly, the electrochemical device 5E
The electrode 17B of the cell 15A at the other end is connected to the through-hole conductor 2E, and the electrode 16B of the cell 15A at the other end.
Extends into the peripheral wall portion 12 and is connected to the through-hole conductor 2F. The conductors 2A and 2F are connected to external terminals (not shown).
【0035】図3においては、第一のガス通路、第二の
ガス通路への各ガス供給ルート、あるいは各通路からの
ガスの排出ルートについては、図示していない。こうし
たガス供給ルート、排出ルートについては、通常法を利
用できる。例えば、図2の分解斜視図および図4の断面
図に示すように、第一のガス供給路10Aから第一のガ
ス通路3へとガスを供給し、次いで別のガス供給路10
Bを通して、より下側のガス通路3へとガスを流すこと
ができる。更に、ガス供給路10C、通路3および排出
路10Dを通してガスを流し、装置外へと排出させる。FIG. 3 does not show a gas supply route to the first gas passage, the second gas passage, or a gas discharge route from each passage. Conventional methods can be used for such gas supply routes and discharge routes. For example, as shown in the exploded perspective view of FIG. 2 and the cross-sectional view of FIG. 4, gas is supplied from the first gas supply passage 10A to the first gas passage 3 and then another gas supply passage 10A.
Through B, gas can flow to the lower gas passage 3. Further, the gas flows through the gas supply passage 10C, the passage 3 and the discharge passage 10D, and is discharged outside the apparatus.
【0036】同様に、第二のガス供給路11A、第二の
ガス通路4、ガス供給路11B、通路4、ガス供給路1
1C、通路4、ガス排出路11Dの順にガスを流す。Similarly, the second gas supply passage 11A, the second gas passage 4, the gas supply passage 11B, the passage 4, the gas supply passage 1
Gas flows in the order of 1C, passage 4, and gas discharge passage 11D.
【0037】こうした実施形態による作用効果について
述べる。The operation and effect of such an embodiment will be described.
【0038】各電極には酸化性ガスや還元性ガスに対す
る耐蝕性が必要であるので、ニッケル−ジルコニアサー
メットやランタンマンガナイトなど、使用可能な材質が
限られている。これに対して、周壁部スルーホール導電
体2A−2Fには、こうした耐蝕性は不要であるので、
導電性が高く、セラミックスの作動温度で溶融や変形を
起こさない高融点金属が好ましい。ところが、こうした
材質の相違のために、スルーホール導電体と各電極の表
面との間では、接触絶縁抵抗が大きくなる。Since each electrode needs to have corrosion resistance to oxidizing gas and reducing gas, usable materials such as nickel-zirconia cermet and lanthanum manganite are limited. On the other hand, the peripheral wall through-hole conductors 2A to 2F do not need such corrosion resistance.
A high melting point metal that has high conductivity and does not melt or deform at the operating temperature of the ceramic is preferable. However, due to such a difference in the material, the contact insulation resistance between the through-hole conductor and the surface of each electrode increases.
【0039】これに加えて、こうした構造体の温度が上
昇すると、各電極は固体電解質層の変形に追従して変形
する。一方、周壁部スルーホール導電体は、主としてセ
パレータ層を構成するセラミックスの変形に追従して変
形する。このため、両者の変形量の相違によって、周壁
部スルーホール導電体と各電極との間には、矢印A方向
(図3参照)に向かって応力が残留した状態となる。こ
のため、界面において接触状態が不均質な状態となりや
すい。In addition, when the temperature of such a structure increases, each electrode deforms following the deformation of the solid electrolyte layer. On the other hand, the peripheral wall portion through-hole conductor deforms mainly following the deformation of the ceramics constituting the separator layer. For this reason, due to the difference in the amount of deformation between the two, stress remains in the direction of arrow A (see FIG. 3) between the peripheral wall portion through-hole conductor and each electrode. For this reason, the contact state at the interface tends to be non-uniform.
【0040】例えば特開平1−128359号公報に記
載の固体電解質型燃料電池においては、こうした構造体
内で、各電気化学セルが並列接続されている。これは、
電気化学装置からの取り出し電圧が高々0.7−1.0
ボルト程度であり、このため電流値が大きいことを意味
している。取り出し電圧は一定であるので、この電流量
は、電気化学セルの個数に比例して増大する。一方、こ
の界面全体は、前述した理由から界面抵抗が大きくなっ
ており、かつ界面のごく一部は導電体と電極表面とが強
く接触した状態になっているものと推定できる。こうし
た状態で、大電流が周壁部スルーホール導電体と電極表
面との界面を流れると、界面の一部に電流が集中し、局
所的な発熱を生じ、界面付近の組織を変質させるものと
考えられる。For example, in the solid oxide fuel cell described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-128359, each electrochemical cell is connected in parallel in such a structure. this is,
The voltage taken out from the electrochemical device is at most 0.7-1.0
It is on the order of volts, which means that the current value is large. Since the extraction voltage is constant, this amount of current increases in proportion to the number of electrochemical cells. On the other hand, it can be assumed that the interface has a large interface resistance for the above-mentioned reason, and that a very small part of the interface is in a state where the conductor and the electrode surface are in strong contact. In such a state, when a large current flows through the interface between the peripheral wall portion through-hole conductor and the electrode surface, the current is concentrated on a part of the interface, causing local heat generation, and it is thought that the structure near the interface is altered. Can be
【0041】本実施形態においては、このような周壁部
内部の電気化学セルを直列に接続することで、取り出し
電圧を大きくし、かつスルーホール導電体と電極表面と
の界面を流れる電流量を削減することで、界面における
局所的な電流集中を小さくし、局所的な顕著な発熱が生
じないようにした。In this embodiment, by connecting such electrochemical cells inside the peripheral wall in series, the take-out voltage is increased and the amount of current flowing through the interface between the through-hole conductor and the electrode surface is reduced. By doing so, local current concentration at the interface was reduced, and local remarkable heat generation was prevented.
【0042】また、図2−図4の実施例においては、電
気化学セルを構成する固体電解質層と周壁部とを同種の
セラミック固体電解質材料によって形成し、一体化させ
ることによって、同種の固体電解質材料からなる一体の
構造体を生成させている。In the embodiment shown in FIGS. 2 to 4, the solid electrolyte layer and the peripheral wall constituting the electrochemical cell are formed of the same ceramic solid electrolyte material and are integrated to form the same solid electrolyte layer. An integral structure made of material is produced.
【0043】このような構造体に熱サイクルが加わる
と、固体電解質層上の各電極は、固体電解質層の熱膨
張、収縮に追従して変形する。これと同時に、周壁部ス
ルーホール導電体は、周壁部の熱膨張、収縮に追従して
変形する。この際、周壁部と各固体電解質層とを前記し
たように一体の同種材料からなる骨格として形成するこ
とで、固体電解質層上の各電極と周壁部スルーホール導
電体の端面との位置ズレがほとんどなくなる。特に、矢
印A(図3参照)で示すような、電極の面内方向におけ
る位置ずれを消去できる。When a thermal cycle is applied to such a structure, each electrode on the solid electrolyte layer is deformed following the thermal expansion and contraction of the solid electrolyte layer. At the same time, the peripheral wall portion through-hole conductor deforms following thermal expansion and contraction of the peripheral wall portion. At this time, by forming the peripheral wall and each solid electrolyte layer as a skeleton made of the same kind of material integrally as described above, the positional deviation between each electrode on the solid electrolyte layer and the end face of the peripheral wall through-hole conductor is reduced. Almost gone. In particular, the displacement of the electrode in the in-plane direction as shown by arrow A (see FIG. 3) can be eliminated.
【0044】好適な実施形態においては、セパレータ層
のセラミックス組織と固体電解質層のセラミックス組織
とが微視的に見て連続している。In a preferred embodiment, the ceramic structure of the separator layer and the ceramic structure of the solid electrolyte layer are microscopically continuous.
【0045】また、好適な実施形態においては、第一の
電極および第二の電極がそれぞれ周壁部内にまで延びて
おり、スルーホール導電体の端面に対して直接に接触し
ている。図3、図4においては、こうした形態を図示し
た。これによって、装置内部における電気抵抗を更に減
少させ得る。In a preferred embodiment, the first electrode and the second electrode each extend into the peripheral wall, and are in direct contact with the end surface of the through-hole conductor. FIGS. 3 and 4 show such a configuration. Thereby, the electric resistance inside the device can be further reduced.
【0046】また、好ましくは、周壁部が、第一のガス
通路および第二のガス通路を気密に包囲する複数のセパ
レータ層を備えており、固体電解質層が周壁部内まで延
び、固体電解質層の端部が、隣り合うセパレータ層の間
に挟まれている。Preferably, the peripheral wall portion includes a plurality of separator layers hermetically surrounding the first gas passage and the second gas passage, and the solid electrolyte layer extends into the peripheral wall portion, and The ends are sandwiched between adjacent separator layers.
【0047】また、好適な実施形態においては、第一の
ガス通路3のうち少なくとも一つが、隣合う一組のセル
15A、15Bによって挟まれており、これらのセルの
各第一の電極が第一のガス通路3を挟んで対向してい
る。また、第二のガス通路4のうち少なくとも一つが、
隣合う一組のセル15A、15Bによって挟まれてお
り、これらのセルの各第二の電極が第二のガス通路を挟
んで対向している。こうした設計を採用することで、第
一のガス通路と第二のガス通路とが、セルを挟んで交互
に位置するようになり、無駄な空間が発生しない。この
ため、単位体積当たりの効率が高くなる。In a preferred embodiment, at least one of the first gas passages 3 is sandwiched between a pair of adjacent cells 15A and 15B, and each of the first electrodes of these cells has a first electrode. They face each other with one gas passage 3 interposed therebetween. Also, at least one of the second gas passages 4 is
It is sandwiched between a pair of adjacent cells 15A and 15B, and the respective second electrodes of these cells face each other across the second gas passage. By adopting such a design, the first gas passages and the second gas passages are alternately arranged with the cell interposed therebetween, so that no useless space is generated. Therefore, the efficiency per unit volume is increased.
【0048】周壁部は、絶縁性セラミックスや固体電解
質材料によって形成することができる。これらは、電気
化学セルの作動温度において、第一のガス通路および第
二のガス通路に対して耐蝕性を有する材質であれば、特
に制限されない。こうした絶縁性セラミックスとして
は、アルミナ、ムライト、マグネシアスピネル、カルシ
アまたはマグネシア安定化ジルコニアがある。また固体
電解質型材料としては、イットリア安定化ジルコニア、
イットリア部分安定化ジルコニア、酸化セリウム系セラ
ミックスの他、ランタンガレート、スカンジア安定化ジ
ルコニア、イッテルビア安定化ジルコニアを例示でき
る。The peripheral wall can be formed of insulating ceramics or solid electrolyte material. These are not particularly limited as long as they have corrosion resistance to the first gas passage and the second gas passage at the operating temperature of the electrochemical cell. Such insulating ceramics include alumina, mullite, magnesia spinel, calcia or magnesia stabilized zirconia. As the solid electrolyte type material, yttria-stabilized zirconia,
In addition to yttria partially stabilized zirconia and cerium oxide-based ceramics, lanthanum gallate, scandia stabilized zirconia, and ytterbia stabilized zirconia can be exemplified.
【0049】なお、周壁部を構成するセラミック固体電
解質材料と固体電解質層を構成する材料とが同種である
とは、その基本成分が同じであることを意味している。
複数の基本成分がある場合には、複数の基本成分が同じ
であれば、各基本成分の構成比率が異なっていたとして
も、やはり同種のセラミックスであると言える。また、
少量のドープ成分については異動があっても差し支えな
い。基本組成が同じであれば、一体焼結後には、周壁部
と固体電解質層とのセラミックス組織が連続し、継ぎ目
は消失するからである。The fact that the ceramic solid electrolyte material forming the peripheral wall portion is the same as the material forming the solid electrolyte layer means that the basic components are the same.
In the case where there are a plurality of basic components, if the plurality of basic components are the same, it can be said that they are still the same type of ceramics even if the composition ratio of each basic component is different. Also,
A small amount of the dope component may be changed. If the basic composition is the same, the ceramic structure of the peripheral wall portion and the solid electrolyte layer is continuous after the integral sintering, and the joint disappears.
【0050】周壁部を構成するセラミックスと、固体電
解質層を構成するセラミックスとの間で、ドープ成分が
異なっている場合には、異なっているドープ成分の重量
比率は全体の10重量%以下であることが好ましい。When the doping components are different between the ceramic constituting the peripheral wall portion and the ceramic constituting the solid electrolyte layer, the weight ratio of the different doping components is 10% by weight or less of the whole. Is preferred.
【0051】本発明の集合電気化学装置の製造方法は限
定されないが、生産性の観点からは、グリーンシート積
層法によって製造することが特に好ましい。この際に
は、図1、図2に示すような各層を、ドクターブレード
法、プレス法、押し出し法等によって成形して各グリー
ンシートを作製し、これを積層し、焼結させる。The method for producing the collective electrochemical device of the present invention is not limited, but from the viewpoint of productivity, production by the green sheet lamination method is particularly preferred. At this time, each layer as shown in FIGS. 1 and 2 is formed by a doctor blade method, a pressing method, an extrusion method, or the like to produce green sheets, which are laminated and sintered.
【0052】成形の際に使用できる有機バインダーとし
ては、ポリメチルアクリレート、ニトロセルロース、ポ
リビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロ
ース、スターチ、ワックス、アクリル酸ポリマー、メタ
クリル酸ポリマーを例示できる。造孔材としては、セル
ロース、カーボン、アクリルパウダー等を例示できる。Examples of the organic binder that can be used for molding include polymethyl acrylate, nitrocellulose, polyvinyl alcohol, methyl cellulose, ethyl cellulose, starch, wax, acrylic acid polymer and methacrylic acid polymer. Examples of the pore former include cellulose, carbon, and acrylic powder.
【0053】好適な実施形態においては、ある電気化学
セルの第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接す
る他の電気化学セルの第二の電極の端部との間に、固体
電解質層とは別体の絶縁体を介在させる。この実施形態
について、以下に述べる。In a preferred embodiment, a solid is placed between the end of the first electrode of one electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. An insulator separate from the electrolyte layer is interposed. This embodiment will be described below.
【0054】図5は、図1の電気化学装置における、隣
接する電気化学セルの間の接続部分を拡大して示す断面
図である。一方のセルの第一の電極16Cの端部31
と、他方のセルの第二の電極17Dの端部32とが、固
体電解質層9を挟んで対向している。第一の電極16C
と16Dとの間には隙間23が設けられており、第二の
電極17Cと17Dとの間には隙間24が設けられてい
る。端部31と32とはスルーホール導電体22によっ
て接続されている。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a connection portion between adjacent electrochemical cells in the electrochemical device of FIG. End 31 of first electrode 16C of one cell
And the end 32 of the second electrode 17D of the other cell are opposed to each other with the solid electrolyte layer 9 interposed therebetween. First electrode 16C
A gap 23 is provided between the second electrodes 17C and 16D, and a gap 24 is provided between the second electrodes 17C and 17D. The ends 31 and 32 are connected by a through-hole conductor 22.
【0055】同一のセルに属する電極16Cと17C、
16Dと17Dとの間で酸素イオンO2 - が移動する
と、それに見合って電子e- がスルーホール導電体22
を移動する。しかし、隣接する相異なるセルに属する電
極16Cと17D、あるいは16Dと17Cとの間で
も、酸素イオンO2 - が移動する場合がある。特に、ス
ルーホール導電体22の周囲では、端部31と32との
間で酸素イオンが矢印Cのように移動する。また、電極
17Cの端部と電極16Dとの間でも、矢印Eのように
酸素イオンが移動する。The electrodes 16C and 17C belonging to the same cell,
When the oxygen ions O 2 − move between 16D and 17D, electrons e − correspondingly move through the through-hole conductor 22.
To move. However, oxygen ions O 2 − may move between the electrodes 16C and 17D or between the electrodes 16D and 17C belonging to different cells adjacent to each other. In particular, around the through-hole conductor 22, oxygen ions move between the ends 31 and 32 as shown by the arrow C. Further, oxygen ions move between the end of the electrode 17C and the electrode 16D as shown by the arrow E.
【0056】これらの酸素イオンの移動が生ずると、ス
ルーホール導電体22の周りに閉回路が生成し、隣接す
る各セルにおいて生成した起電力の一部を消費するの
で、いずれも電流損失の原因となる。また、閉回路を流
れる電流のため、燃料、酸化剤が消費され、燃料利用率
の低下を招く。When these oxygen ions move, a closed circuit is formed around the through-hole conductor 22, and a part of the electromotive force generated in each adjacent cell is consumed. Becomes Further, the current flowing through the closed circuit consumes fuel and oxidant, which causes a decrease in fuel utilization.
【0057】本実施形態においては、ある電気化学セル
の第一の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他
の電気化学セルの第二の電極の端部との間に、固体電解
質層とは別体の絶縁体を介在させる。これによって、矢
印Cのような端部間での酸素イオンの移動が少なくとも
抑制、防止され、電流損失を低減できる。In this embodiment, a solid electrolyte is provided between an end of a first electrode of one electrochemical cell and an end of a second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. An insulator separate from the layer is interposed. Thereby, the movement of oxygen ions between the ends as shown by the arrow C is suppressed or prevented at least, and the current loss can be reduced.
【0058】絶縁体の位置は、ある電気化学セルの第一
の電極の端部と、この電気化学セルに隣接する他の電気
化学セルの第二の電極の端部との間であれば限定されな
い。例えば、固体電解質層9の一方の面9c上であって
よく、他方の面9d上であってよく、貫通孔9aの内壁
面上(つまりスルーホール導電体22の側周面22a
上)であってよく、更には固体電解質層9の内部に埋設
されていてもよい。The position of the insulator is limited as long as it is between the end of the first electrode of one electrochemical cell and the end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to this electrochemical cell. Not done. For example, it may be on one surface 9c of the solid electrolyte layer 9, may be on the other surface 9d, and may be on the inner wall surface of the through hole 9a (that is, the side peripheral surface 22a of the through hole conductor 22).
Above), or may be buried inside the solid electrolyte layer 9.
【0059】固体電解質層とは別体の絶縁体は、酸素イ
オン透過能は有していないことが必要であるが、その絶
縁性能は設計事項である。しかし、例えば絶縁体の体積
抵抗率が1000Ω・cm以上であることが好ましい。It is necessary that the insulator separate from the solid electrolyte layer does not have oxygen ion permeability, but its insulation performance is a matter of design. However, for example, it is preferable that the volume resistivity of the insulator is 1000 Ω · cm or more.
【0060】絶縁体の材質としては、例えばアルミナ、
シリカ、ムライト、マグネシア、アルミナ−マグネシア
スピネルを例示できる。As the material of the insulator, for example, alumina,
Examples include silica, mullite, magnesia, and alumina-magnesia spinel.
【0061】絶縁層の厚さは特に制限はないが、10−
50μmが好ましい。The thickness of the insulating layer is not particularly limited.
50 μm is preferred.
【0062】好適な実施形態においては、絶縁体が、第
一の電極の端部と固体電解質層との間に設けられている
絶縁層であり、また、絶縁体が、第二の電極の端部と固
体電解質層との間に設けられている絶縁層である。これ
によって、最も効率的に端部間を絶縁可能である。In a preferred embodiment, the insulator is an insulating layer provided between an end of the first electrode and the solid electrolyte layer, and the insulator is an end of the second electrode. It is an insulating layer provided between the part and the solid electrolyte layer. This allows the most efficient insulation between the ends.
【0063】好適な実施形態においては、隣接する一対
の電気化学セルの間で第一の電極間に隙間が設けられて
おり、この隙間に絶縁層が露出している。また、隣接す
る一対の電気化学セルの間で第二の電極間に隙間が設け
られており、この隙間に絶縁層が露出している。In a preferred embodiment, a gap is provided between the first electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulating layer is exposed in the gap. In addition, a gap is provided between the second electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulating layer is exposed in the gap.
【0064】図6−図9は、この実施形態に係る電気化
学装置を示すものである。図6(a)は電気化学装置3
5Aを示す断面図であり、図6(b)は、固体電解質層
9にスルーホール導電体および絶縁層が形成された状態
を示す平面図であり、図6(c)は装置35Aの平面図
である。FIGS. 6 to 9 show an electrochemical device according to this embodiment. FIG. 6A shows an electrochemical device 3.
FIG. 6B is a cross-sectional view showing 5A, FIG. 6B is a plan view showing a state in which a through-hole conductor and an insulating layer are formed in the solid electrolyte layer 9, and FIG. 6C is a plan view of the device 35A. It is.
【0065】装置35Aには、複数個、例えば4個の電
気化学セル15が設けられており、各セル15は互いに
直列接続されている。固体電解質層9は、本例では平面
的に見て長方形の平板形状をしている。固体電解質層9
の一方の面9c上には第一の電極16が例えば4個形成
されており、他方の面9d上には第二の電極17が例え
ば4個形成されている。Bは、電気化学セルの主要な作
用領域である。The apparatus 35A is provided with a plurality of, for example, four, electrochemical cells 15, and the respective cells 15 are connected in series. In the present embodiment, the solid electrolyte layer 9 has a rectangular flat plate shape when viewed two-dimensionally. Solid electrolyte layer 9
For example, four first electrodes 16 are formed on one surface 9c, and four second electrodes 17 are formed on the other surface 9d. B is the main working area of the electrochemical cell.
【0066】隣接する第一の電極16の間には細長い隙
間23が形成されており、隣接する第二の電極17の間
には細長い隙間24が形成されている。各電極16の端
部31は、隣接するセルの電極17の端部32に対し
て、固体電解質層9を挟んで対向している。固体電解質
層9内には、前記した端部の対向領域においてスルーホ
ール導電体22が設けられている。各スルーホール導電
体22によって、隣接する電気化学セル15の電極16
と17とが直列に接続されている。An elongated gap 23 is formed between adjacent first electrodes 16, and an elongated gap 24 is formed between adjacent second electrodes 17. The end 31 of each electrode 16 faces the end 32 of the electrode 17 of the adjacent cell with the solid electrolyte layer 9 interposed therebetween. In the solid electrolyte layer 9, a through-hole conductor 22 is provided in a region facing the above-mentioned end portion. Each through-hole conductor 22 allows the electrode 16 of the adjacent electrochemical cell 15
And 17 are connected in series.
【0067】スルーホール導電体22の周囲において、
固体電解質層9の一方の面9c上に、絶縁層25A、2
5Bが設けられており、固体電解質層9の他方の面9d
上に、絶縁層25C、25Dが設けられている。これに
よって、各電極の端部と固体電解質層の表面との間には
絶縁層がそれぞれ介在し、絶縁することになる。隙間2
3には絶縁層25Bが露出し、隙間24には絶縁層25
Dが露出する。In the periphery of the through-hole conductor 22,
On one surface 9c of the solid electrolyte layer 9, an insulating layer 25A,
5B, and the other surface 9d of the solid electrolyte layer 9
The insulating layers 25C and 25D are provided thereon. As a result, the insulating layers are interposed between the end portions of the respective electrodes and the surface of the solid electrolyte layer, thereby providing insulation. Gap 2
3, the insulating layer 25B is exposed.
D is exposed.
【0068】好適な実施形態においては、スルーホール
導電体と固体電解質層との間に絶縁体を設けるか、ある
いは、スルーホール導電体の内部に絶縁体を設ける。In a preferred embodiment, an insulator is provided between the through-hole conductor and the solid electrolyte layer, or an insulator is provided inside the through-hole conductor.
【0069】図5において、スルーホール導電体22自
体も、電極16C、16Dに対して、あるいは電極17
C、17Dに対して、一種の電極として作用し、電力を
消費することがある。このため、スルーホール導電体2
2と固体電解質層9との間に絶縁体を設けることによっ
て、スルーホール導電体が電極として作用しないように
し、これによる電力の消費を防止できる。In FIG. 5, the through-hole conductor 22 itself is also connected to the electrodes 16C and 16D or to the electrode 17C.
C, 17D may act as a kind of electrode and consume power. Therefore, the through-hole conductor 2
By providing an insulator between the solid electrolyte layer 2 and the solid electrolyte layer 9, it is possible to prevent the through-hole conductor from acting as an electrode, thereby preventing power consumption.
【0070】図7−図9は、この実施形態に係るもので
ある。図7(a)−(c)の電気化学装置35Bは、図
6の装置35Aと同様のものであるが、スルーホール導
電体22の側周面に絶縁層25Eが形成されており、こ
れによってスルーホール導電体22と貫通孔9aの内壁
面とが絶縁されている。FIGS. 7 to 9 relate to this embodiment. The electrochemical device 35B shown in FIGS. 7A to 7C is the same as the device 35A shown in FIG. 6 except that an insulating layer 25E is formed on the side peripheral surface of the through-hole conductor 22. The through-hole conductor 22 and the inner wall surface of the through-hole 9a are insulated.
【0071】好適な実施形態においては、絶縁層が、複
数の電気化学セルが配列されている配列方向と垂直な方
向において、第一の電極または第二の電極によって被覆
されていない延在部を備えている。図8、図9は、この
実施形態に係るものである。In a preferred embodiment, the insulating layer extends in a direction perpendicular to the arrangement direction in which the plurality of electrochemical cells are arranged without being covered by the first electrode or the second electrode. Have. 8 and 9 relate to this embodiment.
【0072】図8(a)−(c)の電気化学装置35C
は、図7の装置35Bとほぼ同様のものである。ただ
し、各スルーホール導電体22Aの平面形状は、円形で
はなく長方形である。また、特に図8(c)に示すよう
に、絶縁層は、複数の電気化学セルが配列されている配
列方向Zと垂直な方向Yにおいて、電極16によって被
覆されていない延在部25Fを備えている。The electrochemical device 35C shown in FIGS.
Is substantially similar to the device 35B of FIG. However, the planar shape of each through-hole conductor 22A is not circular but rectangular. In particular, as shown in FIG. 8C, the insulating layer includes an extension 25F that is not covered with the electrode 16 in a direction Y perpendicular to the arrangement direction Z in which the plurality of electrochemical cells are arranged. ing.
【0073】この実施形態においては、たとえ絶縁層と
電極との相対的位置が製造上の誤差からズレたものとし
ても、確実に電極の端部を絶縁できるという利点があ
る。即ち、図6、図7に示したような形態では、Y方向
に見て、電極16の縁と絶縁層25A、25Bとの縁と
がほぼ同一線上にある。このため、製造上の誤差によっ
て、絶縁層25A、25Bの位置と電極16の位置とが
位置ずれを起こすと、電極16の縁と絶縁層25A、2
5Bとの縁とが、Y方向に見てずれてしまう。この結
果、電極16の端部31の一部分は、絶縁層によって絶
縁されることなく、固体電解質層9の一方の面9cに対
して直接に接触することになる。この結果、前述した閉
回路を生じさせる。This embodiment has the advantage that the end of the electrode can be reliably insulated even if the relative position between the insulating layer and the electrode is shifted due to manufacturing errors. That is, in the embodiment shown in FIGS. 6 and 7, the edge of the electrode 16 and the edge of the insulating layers 25A and 25B are substantially collinear when viewed in the Y direction. Therefore, if the position of the insulating layers 25A and 25B and the position of the electrode 16 are displaced due to a manufacturing error, the edge of the electrode 16 and the insulating layers 25A and 25A,
The edge with 5B is shifted in the Y direction. As a result, a part of the end portion 31 of the electrode 16 comes into direct contact with one surface 9c of the solid electrolyte layer 9 without being insulated by the insulating layer. This results in the closed circuit described above.
【0074】これに対して、延在部25Fを設けること
によって、前述のように、電極と絶縁層との平面的位置
に位置ずれが生じたものとしても、そうした位置ずれは
延在部によって吸収され、電極の端部の絶縁は確保され
る。On the other hand, by providing the extending portion 25F, even if the planar position between the electrode and the insulating layer is misaligned as described above, such misalignment is absorbed by the extending portion. As a result, insulation at the ends of the electrodes is ensured.
【0075】図9(a)−(c)の電気化学装置35D
は、図8の装置35Cとほぼ同様のものである。ただ
し、特に図9(b)に示すように、延在部25Fの他
に、各セルの作用領域B内の矢印Y方向の縁面に沿って
延びる延在部25Gが形成されている。The electrochemical device 35D shown in FIGS. 9 (a)-(c)
Is substantially the same as the device 35C in FIG. However, in particular, as shown in FIG. 9 (b), in addition to the extending portion 25F, an extending portion 25G extending along the edge surface in the arrow Y direction in the action region B of each cell is formed.
【0076】[0076]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、複
数の電気化学セルを電気的に接続してなる構造の電気化
学装置において、各電気化学セルの各電極に至るまでの
各ガスの拡散抵抗を減らすことができるようにし、か
つ、隣接する電気化学セルの接続部分の材質の劣化を抑
制できる。As described above, according to the present invention, in an electrochemical device having a structure in which a plurality of electrochemical cells are electrically connected, each gas reaching each electrode of each electrochemical cell is provided. Can be reduced, and the deterioration of the material of the connection portion between the adjacent electrochemical cells can be suppressed.
【図1】(a)は、本発明の一実施形態に係る電気化学
装置5を示す断面図であり、(b)は装置5の平面図で
ある。FIG. 1A is a cross-sectional view showing an electrochemical device 5 according to one embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a plan view of the device 5.
【図2】電気化学装置5の一部を分解して示す斜視図で
ある。FIG. 2 is an exploded perspective view showing a part of the electrochemical device 5;
【図3】図2におけるIII−III線断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2;
【図4】図2におけるIV−IV線断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2;
【図5】図1の装置5において、隣接するセル間の接続
部分を拡大して示す断面図である。FIG. 5 is an enlarged sectional view showing a connection portion between adjacent cells in the device 5 of FIG.
【図6】(a)は、電気化学装置35Aの断面図であ
り、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体2
2および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、
(c)は、装置35Aの平面図である。FIG. 6A is a cross-sectional view of an electrochemical device 35A, and FIG. 6B is a cross-sectional view of a through-hole conductor 2 in a solid electrolyte layer 9.
2 is a plan view showing a state where an insulating layer is formed;
(C) is a plan view of the device 35A.
【図7】(a)は、電気化学装置35Bの断面図であ
り、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体2
2および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、
(c)は、装置35Bの平面図である。FIG. 7A is a cross-sectional view of an electrochemical device 35B, and FIG. 7B is a cross-sectional view of a through-hole conductor 2 in a solid electrolyte layer 9;
2 is a plan view showing a state where an insulating layer is formed;
(C) is a plan view of the device 35B.
【図8】(a)は、電気化学装置35Cの断面図であ
り、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体2
2および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、
(c)は、装置35Cの平面図である。8A is a cross-sectional view of an electrochemical device 35C, and FIG. 8B is a cross-sectional view of a through-hole conductor 2 in a solid electrolyte layer 9;
2 is a plan view showing a state where an insulating layer is formed;
(C) is a plan view of the device 35C.
【図9】(a)は、電気化学装置35Dの断面図であ
り、(b)は、固体電解質層9にスルーホール導電体2
2および絶縁層を形成した状態を示す平面図であり、
(c)は、装置35Dの平面図である。9A is a cross-sectional view of an electrochemical device 35D, and FIG. 9B is a cross-sectional view of a through-hole conductor 2 in a solid electrolyte layer 9;
2 is a plan view showing a state where an insulating layer is formed;
(C) is a plan view of the device 35D.
1A、1B 末端層 2A、2B、2C、2D、
2E、2F 周壁部スルーホール導電体 3 第
一のガス通路 4 第二のガス通路 5、
5A、5B、5C、5D、5E、15 電気化学セル 17、17A、17B 第二の電極 8A、8
B、8C、8D、8E、8F セパレータ層 9
A、9B、9C、9D、9E 固体電解質層 9a 貫通孔 9c 一方の面 9d 他
方の面 10A、10B、10C、10D 第一
のガス供給路 11A、11B、11C、11D
第二のガス供給路 12 周壁部 13
機能部 16、16A、16B 第一の電極 22、22
A スルーホール導電体 23 隣接するセルの第一の電極間の隙間 24
隣接するセルの第二の電極の間の隙間 X 固
体電解質層9に垂直な方向 Y 複数のセルの配列方
向に垂直な方向 Z 複数のセルの配列方向1A, 1B End layers 2A, 2B, 2C, 2D,
2E, 2F Peripheral wall portion through-hole conductor 3 First gas passage 4 Second gas passage 5,
5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 15 Electrochemical cell 17, 17A, 17B Second electrode 8A, 8
B, 8C, 8D, 8E, 8F Separator layer 9
A, 9B, 9C, 9D, 9E Solid electrolyte layer 9a Through hole 9c One surface 9d The other surface 10A, 10B, 10C, 10D First gas supply path 11A, 11B, 11C, 11D
Second gas supply path 12 Peripheral wall 13
Functional part 16, 16A, 16B First electrode 22, 22
A Through-hole conductor 23 Gap between first electrodes of adjacent cells 24
Gap between second electrodes of adjacent cells X direction perpendicular to solid electrolyte layer 9 Y direction perpendicular to array direction of multiple cells Z array direction of multiple cells
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 清志 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 龍 崇 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC08 CV06 EE11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kiyoshi Okumura 2-56 Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya, Aichi Prefecture Inside Nihon Insulators Co., Ltd. (72) Inventor Ryu Takashi 2-56, Sudacho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture No. Japan Insulator Co., Ltd. F-term (reference) 5H026 AA06 CC08 CV06 EE11
Claims (14)
けられた複数の第一の電極と、前記固体電解質層上に設
けられた複数の第二の電極とを備えており、前記第一の
電極と前記第二の電極とによって複数の電気化学セルが
構成されている電気化学装置であって、 前記固体電解質層を貫通する少なくとも一つのスルーホ
ール導電体を備えており、前記固体電解質層において隣
接する少なくとも二つの前記電気化学セルが前記スルー
ホール導電体を介して電気的に接続されていることを特
徴とする、電気化学装置。A solid electrolyte layer, a plurality of first electrodes provided on the solid electrolyte layer, and a plurality of second electrodes provided on the solid electrolyte layer; An electrochemical device in which a plurality of electrochemical cells are configured by one electrode and the second electrode, comprising: at least one through-hole conductor penetrating the solid electrolyte layer, wherein the solid electrolyte An electrochemical device, wherein at least two adjacent electrochemical cells in a layer are electrically connected via the through-hole conductor.
の第一の電極が設けられており、前記固体電解質層の他
方の面上に前記複数の第二の電極が設けられていること
を特徴とする、請求項1記載の装置。2. The plurality of first electrodes are provided on one surface of the solid electrolyte layer, and the plurality of second electrodes are provided on the other surface of the solid electrolyte layer. The device according to claim 1, characterized in that:
と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの前
記第二の電極の端部とが、前記固体電解質層を挟んで対
向する位置に設けられており、前記第一の電極の前記端
部と前記第二の電極の前記端部とが、前記スルーホール
導電体によって電気的に接続されていることを特徴とす
る、請求項1または2記載の装置。3. An end of the first electrode of one electrochemical cell and an end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell sandwich the solid electrolyte layer. And the end of the first electrode and the end of the second electrode are electrically connected by the through-hole conductor. An apparatus according to claim 1 or 2.
と、この電気化学セルに隣接する他の電気化学セルの前
記第二の電極の端部との間に、前記固体電解質層とは別
体の絶縁体が介在していることを特徴とする、請求項1
−3のいずれか一つの請求項に記載の装置。4. The solid electrolyte layer between an end of the first electrode of one electrochemical cell and an end of the second electrode of another electrochemical cell adjacent to the electrochemical cell. 2. An insulator separate from the intervening insulator.
An apparatus according to any one of claims 1 to 3.
記固体電解質層との間に設けられている絶縁層であるこ
とを特徴とする、請求項4記載の装置。5. The apparatus according to claim 4, wherein said insulator is an insulating layer provided between an end of said first electrode and said solid electrolyte layer.
記固体電解質層との間に設けられている絶縁層であるこ
とを特徴とする、請求項4または5記載の装置。6. The device according to claim 4, wherein the insulator is an insulating layer provided between an end of the second electrode and the solid electrolyte layer.
記第一の電極間に隙間が設けられており、この隙間に前
記絶縁体が露出していることを特徴とする、請求項4−
6のいずれか一つの請求項に記載の装置。7. A gap between the first electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, wherein the insulator is exposed in the gap. −
Apparatus according to any one of the preceding claims.
記第二の電極間に隙間が設けられており、この隙間に前
記絶縁体が露出していることを特徴とする、請求項4−
7のいずれか一つの請求項に記載の装置。8. A gap is provided between the second electrodes between a pair of adjacent electrochemical cells, and the insulator is exposed in the gap. −
Apparatus according to any one of the preceding claims.
配列されている配列方向と垂直な方向において、前記第
一の電極または前記第二の電極によって被覆されていな
い延在部を備えていることを特徴とする、請求項5−8
のいずれか一つの請求項に記載の装置。9. The insulating layer includes an extending portion that is not covered by the first electrode or the second electrode in a direction perpendicular to an arrangement direction in which the plurality of electrochemical cells are arranged. 9. The method according to claim 5, wherein
Apparatus according to any one of the preceding claims.
質層との間に絶縁体が設けられていることを特徴とす
る、請求項1−9のいずれか一つの請求項に記載の装
置。10. The device according to claim 1, wherein an insulator is provided between the through-hole conductor and the solid electrolyte layer.
化学セルが前記スルーホール導電体を介して直列接続さ
れていることを特徴とする、請求項1−10のいずれか
一つの請求項に記載の装置。11. The method according to claim 1, wherein the at least two adjacent electrochemical cells are connected in series via the through-hole conductor. apparatus.
に記載の電気化学装置を複数備えている集積電気化学装
置であって、 セラミックスからなる周壁部および前記周壁部内に埋設
されている周壁部内スルーホール導電体を備えており、
前記周壁部の内側に第一のガス通路と第二のガス通路と
が形成されており、前記複数の固体電解質層が前記周壁
部の内側に設けられており、前記第一の電極が前記第一
のガス通路に面しており、前記第二の電極が前記第二の
ガス通路に面していることを特徴とする、集積電気化学
装置。12. An integrated electrochemical device comprising a plurality of the electrochemical devices according to any one of claims 2 to 11, wherein the integrated electrochemical device is a ceramic peripheral wall and embedded in the peripheral wall. It has a through-hole conductor inside the peripheral wall,
A first gas passage and a second gas passage are formed inside the peripheral wall portion, the plurality of solid electrolyte layers are provided inside the peripheral wall portion, and the first electrode is the second gas passage. An integrated electrochemical device facing one gas passage, wherein the second electrode faces the second gas passage.
周壁部内スルーホール導電体によって電気的に直列接続
されていることを特徴とする、請求項12記載の装置。13. The device according to claim 12, wherein the pair of adjacent electrochemical devices are electrically connected in series by the through-hole conductor in the peripheral wall.
のセラミック固体電解質材料からなることを特徴とす
る、請求項12または13記載の装置。14. The apparatus according to claim 12, wherein said peripheral wall portion and said solid electrolyte layer are made of the same type of ceramic solid electrolyte material.
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