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公開番号2025132314
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-10
出願番号2024029778
出願日2024-02-29
発明の名称集電体および電気化学セルスタック
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01M 8/0258 20160101AFI20250903BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】有効電解領域において集電性を維持しつつ、均一なガスの供給をすることができる流路構造を有した集電体および電気化学セルスタックを提供することである。
【解決手段】上記課題を達成するために、本実施形態の集電体は、電気化学セルにガスを供給するために金属体に設けられるガス供給側端部、および電気化学セルからガスを放出するために金属体に設けられるガス放出側端部を繋ぐ流路を有し、この流路は、ガス供給側端部からガス放出側端部にガスが流れる第一方向を長手方向として形成されるとともに、積層方向と直交かつ第一方向とは異なる第二方向に複数設けられる第一の流路と、ガス供給側端部と第一の流路との間に設けられ、ガス供給側端部から供給されたガスを複数の第一の流路に供給可能な第二の流路と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
燃料極、電解質、および空気極を積層させる電気化学セルと金属体との間に設けられる集電体であって、
前記集電体は、前記電気化学セルにガスを供給するために前記金属体に設けられるガス供給側端部、および前記電気化学セルから前記ガスを放出するために前記金属体に設けられるガス放出側端部を繋ぐ流路を有し、
前記流路は、
前記ガス供給側端部から前記ガス放出側端部に前記ガスが流れる第一方向を長手方向として形成されるとともに、前記積層方向と直交かつ前記第一方向とは異なる第二方向に複数設けられる第一の流路と、
前記ガス供給側端部と前記第一の流路との間に設けられ、前記ガス供給側端部から供給された前記ガスを複数の前記第一の流路に供給可能な第二の流路と、
を含むことを特徴とする集電体。
続きを表示（約 730 文字）【請求項２】
前記第一の流路は、前記燃料極、前記電解質、および前記空気極が前記積層方向で重なり合う領域である有効電解領域に少なくとも設けられることを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項３】
前記第二の流路の前記第一方向における長さは、前記燃料極、前記電解質、および前記空気極が前記積層方向で重なり合う領域である有効電解領域の前記第一方向における長さに対して、少なくとも３％の長さを有することを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項４】
前記第二の流路は、前記電気化学セルおよび前記金属体を支持するための支持構造を有することを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項５】
前記ガス放出側端部と前記第一の流路との間に設けられ、複数の前記第一の流路から供給された前記ガスを前記ガス放出側端部に放出可能な第三の流路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項６】
前記第三の流路は、前記電気化学セルおよび前記金属体を支持するための支持構造を有することを特徴とする請求項５に記載の集電体。
【請求項７】
燃料極、電解質、および空気極を積層させる電気化学セルと、
前記電気化学セルを収容する金属体と、
前記積層方向において前記燃料極と前記金属体との間に設けられる燃料極集電体と、
前記積層方向において前記空気極と前記金属体との間に設けられる空気極集電体と、
を備え、
前記燃料極集電体および前記空気極集電体の少なくとも一方は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の集電体であることを特徴とする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、集電体および電気化学セルスタックに関する。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
平板型の固体酸化物電気化学セル（ＳＯＣ）は、平板型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）の最小構成単位であり、一般に、燃料極、電解質、空気極の三層で構成される。ＳＯＣはその高い作動温度（摂氏６００～１０００度）から、高価な貴金属触媒を用いなくても十分な反応速度を得ることができる。ＳＯＣがＳＯＦＣに搭載される場合には、燃料極に燃料ガス（水素や一酸化炭素など）を、空気極に空気を供給することで、電気化学反応によって電気エネルギが生成される。ＳＯＦＣは、その他の燃料電池のタイプ（固体高分子型やリン酸型など）と比較して発電効率が高いことで知られている。一方で、ＳＯＣがＳＯＥＣに搭載される場合には、燃料極に燃料ガス（水蒸気）を供給するとともに、ＳＯＣに電気エネルギを与えることで、電気分解反応によって水蒸気から酸素と水素が生成される。ＳＯＥＣは、一般的な水の電気分解法と比較して効率が高いことで知られている。また、ＳＯＦＣとＳＯＥＣを組み合わせた電力貯蔵システムとしての利用も検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２１－５７１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣに使用するＳＯＣは大容量化のために積層されて、ＳＯＣセルスタックが構成される。例えば、ＳＯＣは導電性を有するセパレータを介して積層されて、ＳＯＣセルスタックが構成される。ＳＯＣセルスタックの効率を向上させるためには、電気化学反応または電気分解反応に実効的に寄与する領域（有効電解領域）に対して十分なガスを均一に供給するための流路を確保することが必要である。一方で、十分なガスを均一に供給するために、流路を過度に拡大すると、有効電解領域と周囲の部材の接触面積が低下し、集電性が悪化することがある。すなわち、ＳＯＣセルスタックの性能を低下させる可能性がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に対処したものであり、本発明が解決しようとする課題は、有効電解領域における均一なガスの供給と集電性の確保を両立した流路構造を有する集電体および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】
【０００６】
上記課題を達成するために、本実施形態の集電体は、電気化学セルにガスを供給するために金属体に設けられるガス供給側端部、および電気化学セルからガスを放出するために金属体に設けられるガス放出側端部を繋ぐ流路を有し、この流路は、ガス供給側端部からガス放出側端部にガスが流れる第一方向を長手方向として形成されるとともに、積層方向と直交かつ第一方向とは異なる第二方向に複数設けられる第一の流路と、ガス供給側端部と第一の流路との間に設けられ、ガス供給側端部から供給されたガスを複数の第一の流路に供給可能な第二の流路と、を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本実施形態の電気化学セルスタック１の全体構成図。
本実施形態の電気化学セルスタック１の空気流路５、６を含む断面図、（ａ）は、図１におけるＰ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図、（ｂ）は、図１におけるＱ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図。
本実施形態の電気化学セルスタック１の燃料ガス流路７、８を含む断面図、（ａ）は図１におけるＲ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図、（ｂ）は、Ｓ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図。
金属体２０、燃料極集電体３０、セル１０を順次積層させた際の位置関係を示す説明図、（ａ）は、金属体２０のみの場合を示す説明図、（ｂ）は、金属体２０に燃料極集電体３０を積層させた場合を示す説明図、（ｃ）は、金属体２０および燃料極集電体３０にセル１０を積層させた場合を示す説明図。
本実施形態の燃料極集電体３０の流路構造１３０および空気極集電体４０の流路構造１４０を示す説明図、（ａ）は、図２におけるＴ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図、（ｂ）は、図３におけるＵ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図。
本実施形態の燃料極集電体３０の流路構造１３０における作用を示すための説明図、（ａ）は、従来の燃料極集電体２００の流路構造２３０を示す説明図、（ｂ）は、本実施形態の燃料極集電体３０の流路構造１３０を示す説明図、（ｃ）は、第二の流路３０ｂを各パーセンテージで設定した場合における流動解析結果を示す説明図、（ｄ）は、（ｂ）におけるＶ領域での流動解析結果を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態に係る電気化学セルスタックについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態を例示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様の機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、図面の寸法比率が実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
【０００９】
図１から図３を用いて、本実施形態の電気化学セルスタック１について説明する。図１は、電気化学セルスタック１の全体構成図である。図２は、電気化学セルスタック１の空気流路５、６を含む断面図であり、図２（ａ）は、図１におけるＰ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図である。また、図２（ｂ）は、図１におけるＱ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図である。図３は、電気化学セルスタック１の燃料ガス流路７、８を含む断面図であり、図３（ａ）は図１におけるＲ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図である。また、図３（ｂ）は、Ｓ方向からみた電気化学セルスタック１の断面図である。
【００１０】
以降の説明においては、電気化学セルをセル、電気化学セルスタックをセルスタックと表記して説明する。また、以降の説明において積層方向とは、後述するセル１０および金属体２０を積層する方向（Ｚ方向）を示し、その方向や特定の面を表す際には、特段の指定がない限り積層方向を基準として表記する。例えば、上面とは積層方向を基準とした上面、側面とは積層方向を基準とした側面、下面とは積層方向を基準とした下面をそれぞれ示す。なお、ここでいう積層方向と重力方向とは、必ずしも一致しない。
（【００１１】以降は省略されています）

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