JP2023072893A - 電解セル - Google Patents

Abstract

【課題】炭素の析出を抑制する。【解決手段】電解セルは、支持基板、第１流路、及び複数の素子部を備える。第１流路は、支持基板内を延びる。各素子部は、第１流路に沿って支持基板上に配置されている。複数の素子部のうち最下流に配置される第１素子部は、運転時において他の素子部よりも高温となる。【選択図】図５

Description

本発明は、電解セルに関するものである。

セラミックス製の電極および電解質からなる電解セルを用いて、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を共電解することで、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む混合ガスを合成する技術が知られている。

例えば、特許文献１に記載された電解セルは、素子部と、素子部を支持する支持基板とを有している。支持基板には、素子部にガスを供給するためのガス流路が形成されている。

特許第６１１０２４６号公報

上述したような電解セルにおいて、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２の共電解がより進んだガスの流通方向の下流側では、炭素、水素、酸素の３元素のうち炭素元素の割合が増えやすくなり、炭素が析出されやすくなるという問題がある。

そこで、本発明の課題は、炭素の析出を抑制することができる電解セルを提供することにある。

本発明のある側面に係る電解セルは、支持基板、第１流路、及び複数の素子部を備える。第１流路は、支持基板内を延びる。各素子部は、第１流路に沿って支持基板上に配置されている。複数の素子部のうち最下流に配置される第１素子部は、運転時において他の素子部よりも高温となる。

第１流路に沿って配置された複数の素子部を有する電解セルでは、最下流に配置された素子部において炭素が析出しやすい。これに対して、本発明のある側面に係る電解セルでは、最下流に配置される第１素子部が、運転時において他の素子部よりも高温となる。この結果、炭素が析出しにくくなり、炭素の析出を抑制することができる。

好ましくは、第１素子部は、他の素子部よりも高温となるように発熱機構を有する。

発熱機構は、前記第１素子部におけるオーム抵抗を他の素子部におけるオーム抵抗よりも大きくすることによって構成されてもよい。

好ましくは、発熱機構は、前記第１素子部における拡散抵抗を他の素子部における拡散抵抗よりも大きくすることによって構成されてもよい。

好ましくは、発熱機構は、平面視における前記第１素子部の面積を他の素子部の面積よりも小さくすることによって構成されてもよい。

好ましくは、電解セルは、支持基板内を第１流路と同じ方向に延びる第２流路をさらに備える。第２流路は、その先端部において第１流路と連通する。

本発明によれば、炭素の析出を抑制することができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの平面図。 セルスタック装置の断面図。 マニホールドに取り付けられた電解セルの平面図。 電解セルの断面図。 基端部における電解セルの断面図。 先端部における電解セルの断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。

以下、本実施形態に係る電解セルについて図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、電解セルの一例として固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を用いて説明する。図１はセルスタック装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの電解セルの記載を省略している。

［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の電解セル１０とを備えている。

［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、複数の電解セル１０のそれぞれにガスを分配するように構成されている。また、マニホールド２は、電解セル１０によって生成されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、供給室２１と回収室２２とを有している。供給室２１には、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、及び二酸化炭素（ＣＯ_２）などが供給される。なお、供給室２１には、水素（Ｈ_２）がさらに供給されてもよい。回収室２２は、各電解セル１０にて生成されたＨ_２及び一酸化炭素（ＣＯ）などを回収する。

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を供給室２１と回収室２２とに気密に仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の長手方向に延びている。

供給室２１の底面には、供給口２１１が形成されている。また、回収室２２の底面には、排出口２２１が形成されている。なお、供給口２１１及び排出口２２１は、底面ではなく側面や上面に形成されていてもよい。

供給口２１１は、例えば、電解セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、排出口２２１は、例えば、電解セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、供給室２１及び回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、供給室２１と連通する部分と回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

［電解セル］
図４は、セルスタック装置の断面図である。また、図５は、マニホールドに取り付けられた電解セルの平面図である。図４及び図５に示すように、電解セル１０は、マニホールド２から第１方向に延びている。なお、本実施形態では、電解セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。

電解セル１０は、基端部１０１及び先端部１０２を有している。電解セル１０は、基端部１０１においてマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各電解セル１０の基端部１０１を支持している。一方、電解セル１０の先端部１０２は、マニホールドなどに固定されていない。すなわち、電解セル１０の先端部１０２は、自由端となっている。本実施形態では、電解セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、電解セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

図１に示すように、各電解セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各電解セル１０は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、電解セル１０の配列方向は、マニホールド２の長手方向に沿っている。

図４及び図５に示すように、電解セル１０は、支持基板４と、複数の素子部５と、を有している。また、電解セル１０は、連通部材３をさらに有している。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、板状である。詳細には、支持基板４は、平面視（ｚ軸方向視）が長方形状である。支持基板４は、長手方向（ｘ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）とを有している。本実施形態では、図４及び図５の上下方向（ｘ軸方向）が支持基板４の長手方向であり、図４及び図５の左右方向が（ｙ軸方向）が支持基板４の幅方向である。

支持基板４は、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長手方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。

支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材４００などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３２に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３２に挿入されていなくてもよい。すなわち、支持基板４の第１端面４１１によって貫通孔２３２を覆うように、支持基板４が天板部２３１上に載置されていてもよい。

接合材４００は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２－Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ_２Ｏ_３系、又はＳｉＯ_２－ＭｇＯ系のものが用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、ＳｉＯ_２－ＭｇＯ系のものが最も好ましい。

ここで用いられる結晶化ガラスは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、かつ、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスである。

支持基板４には、複数の第１流路４３、及び１つの第２流路４４が形成されている。第１流路４３の数は、第２流路４４の数よりも多い。なお、第１流路４３及び第２流路４４の数は、それぞれ適宜変更可能である。

第１及び第２流路４３、４４は、支持基板４内を第１方向に延びている。なお、第１方向とは、第１及び第２流路４３，４４が延びる方向を意味する。第１方向と交差する方向を「第２方向」と称する。なお、本実施形態では、第２方向は第１方向と直交している。第２方向は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に沿って延びている。

本実施形態では、第１及び第２流路４３，４４は、支持基板４の長手方向に延びている。すなわち、第１及び第２流路４３，４４は、支持基板４の基端部４１から先端部４２に向かって延びている。

第１及び第２流路４３、４４は、支持基板４を貫通している。各第１流路４３は、第２方向において互いに間隔をあけて配置されている。また、各第２流路４４は、第２方向において第１流路４３と間隔をあけて配置されている。すなわち、各第１流路４３と第２流路４４とは、第２方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、第１流路４３と第２流路４４との間隔は、第１流路４３同士の間隔よりも大きいことが好ましい。

第１流路４３は、その基端部４３１において、供給室２１と連通している。このため、第１流路４３には、供給室２１からＨ_２Ｏ及びＣＯ_２などが供給される。すなわち、第１流路４３の基端部４３１から先端部４３２に向かって、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２などが流れる。

第２流路４４は、その先端部４４２において、第１流路４３と連通している。すなわち、第１流路４３の先端部４３２と第２流路４４の先端部４４２は互いに連通している。詳細には、第１流路４３の先端部４３２と、第２流路４４の先端部４４２とは、後述する連通流路３０を介して連通している。また、第２流路４４は、その基端部４４１において、回収室２２と連通している。

第２流路４４には、電解セル１０によって生成されたＨ_２及びＣＯなどが先端部４４２から基端部４４１に向かって流れる。そして、第２流路４４内を流れるＨ_２及びＣＯなどは、第２流路４４の基端部４４１から回収室２２に排出される。

支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）あるいはこれらの複合物などによって構成することができる。支持基板４の気孔率は、例えば、２０～６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法により測定される。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１流路４３及び第２流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の表面のうち、素子部５が形成されていない部分を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７に使用される材料、又は結晶化ガラス等によって構成することができる。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０～７％程度である。

図６は、第２方向と直交する面で電解セル１０を切断した切断面を示している。なお、図６は、第１流路４３に沿って電解セル１０を切断した切断面である。

図６に示すように、支持基板４は、第１主面４５、第２主面４６、複数の凹部４９、及び複数の桟部５０を有している。各凹部４９は、第１方向において、互いに間隔をあけて配置されている。凹部４９は、第２方向に延びている。なお、凹部４９は、平面視（ｚ軸方向視）において、第２流路４４と重複する部分には形成されていない。

桟部５０は、一対の凹部４９の間に配置される。すなわち、一対の凹部４９の間の部分が桟部５０となる。桟部５０は、第２方向に延びている。第１方向において、凹部４９と桟部５０とが交互に配置される。

［連通部材］
図４に示すように、電解セル１０は、第１流路４３と第２流路４４とを連通する連通流路３０を有している。なお、連通流路３０は、支持基板４に取り付けられた連通部材３に形成されている。連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０～７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料、上述した電解質７に使用される材料、又は結晶化ガラス等によって形成することができる。

［素子部］
図５に示すように、複数の素子部５が、支持基板４上に配置されている。なお、本実施形態では、支持基板４の両面において、複数の素子部５が支持されている。なお、第１主面４５に形成される素子部５の数と第２主面４６に形成される素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６のどちらか一方のみに支持されていてもよい。

複数の素子部５は、第１流路４３に沿って配列されている。すなわち、複数の素子部５は、第１方向に配列されている。本実施形態に係る電解セル１０は、いわゆる横縞型の電解セルである。複数の素子部５のうち、最下流に配置される素子部を第１素子部５ａとする。すなわち、第１素子部５ａは、第１流路４３内を流れるガスの流れ方向において、複数の素子部５のうち、最も下流側に配置されている。なお、本実施形態において、第１素子部５ａは、複数の素子部５のうち、最も上側に配置されている。複数の素子部５は、インターコネクタ９（図６参照）によって、互いに電気的に直列に接続されている。

素子部５は、第２方向に延びている。素子部５は、平面視（ｚ軸方向視）において、第１流路４３と重複する一方で、第２流路４４とは重複していない。すなわち、第１流路４３は、平面視において素子部５と重複するように配置されており、第２流路４４は、平面視において、素子部５と重複しないように配置されている。なお、平面視とは、電解セル１０の厚さ方向に沿って見ることを言う。

支持基板４は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに分けることができる。第１領域Ｒ１は、第１方向視（ｘ軸方向視）において、供給室２１と重複する領域である。第２領域Ｒ２は、第１方向視（ｘ軸方向視）において、回収室２２と重複する領域である。

素子部５は、支持基板４の第１領域Ｒ１に配置されており、第２領域Ｒ２には配置されていない。また、第１流路４３は、支持基板４の第１領域Ｒ１内に形成されており、第２流路４４は、支持基板４の第２領域Ｒ２内に形成されている。

図６に示すように、素子部５は、水素極６（カソード）、電解質７、及び酸素極８（アノード）を有している。支持基板４側から、水素極６、電解質７、酸素極８の順で配置されている。素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。

［水素極］
水素極６は、下記（１）式に示す共電解の化学反応に従って、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏから、Ｈ_２、ＣＯ、及びＯ^２－を生成する。
・水素極６：ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋ ４ｅ^－→ＣＯ＋Ｈ_２＋２Ｏ^２－・・・（１）

水素極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。水素極６は、焼成体である。水素極６は、水素極集電部６１と水素極活性部６２とを有する。各水素極６は、支持基板４上に配置されている。各水素極６は、第１方向（ｘ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

［水素極集電部］
水素極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、水素極集電部６１は、凹部４９を埋めており、凹部４９と同様の形状を有する。

水素極集電部６１の主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と実質的に同一面上にある。すなわち、支持基板４の第１主面４５と、各水素極集電部６１の主面６１１とによって、一つの面が構成されている。なお、水素極集電部６１の主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と完全に同一面上になくてもよく、例えば、支持基板４の第１主面４５との間に２０μｍ以下程度の段差があってもよい。

水素極集電部６１は、電子伝導性を有する。水素極集電部６１は、水素極活性部６２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。水素極集電部６１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

水素極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、ＮｉＯ及びＹ_２Ｏ_３の複合物、又は、ＮｉＯ及びＣＳＺの複合物などによって構成することができる。水素極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、例えば、５０～５００μｍ程度である。

［水素極活性部］
水素極活性部６２は、水素極集電部６１の主面６１１上に配置されている。このため、水素極活性部６２は、凹部４９から突出している。すなわち、水素極活性部６２は、水素極集電部６１に埋設されていない。水素極活性部６２の端縁は、主面６１１上において、水素極集電部６１の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、水素極活性部６２は、水素極集電部６１よりも平面視（ｚ軸方向視）の面積が小さい。そして、水素極活性部６２は、水素極集電部６１の主面６１１内に収まっている。

水素極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。水素極活性部６２は、水素極集電部６１より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。

水素極活性部６２は、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、又は、ＮｉＯ及びＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）の複合物などによって構成することができる。水素極活性部６２は、水素極集電部６１よりも薄い。水素極活性部６２の厚さは、例えば、５～３０μｍ程度である。

［電解質］
電解質７は、水素極６と酸素極８との間に配置される。電解質７は、酸素イオン伝導性を有する。電解質７は、水素極６において生成されたＯ^２－を酸素極８に伝達させる。電解質７は、水素極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９から他のインターコネクタ９まで第１方向に延びている。すなわち、第１方向において、電解質７とインターコネクタ９とが交互に配置されている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０～７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、又は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。電解質７の厚さは、例えば、３～５０μｍ程度である。

［反応防止膜］
反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、水素極活性部６２と略同一の形状であり、水素極活性部６２と重複するように配置されている。反応防止膜１１は、電解質７を介して、水素極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと酸素極活性部８１内のＳｒとが反応して電解質７と酸素極活性部８１との界面にオーム抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）などによって構成することができる。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３～５０μｍ程度である。

［酸素極］
酸素極８は、下記（２）式に示す化学反応に従って、電解質７を介して水素極６より伝達されるＯ^２－からＯ_２を生成する。
・酸素極８：２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－・・・（２）

酸素極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。酸素極８は、焼成体である。酸素極８は、水素極６と協働して電解質７を挟むように配置されている。酸素極８は、酸素極活性部８１及び酸素極集電部８２を有している。

［酸素極活性部］
酸素極活性部８１は、反応防止膜１１上に配置されている。酸素極活性部８１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。酸素極活性部８１は、酸素極集電部８２より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。

酸素極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。酸素極活性部８１は焼成体である。酸素極活性部８１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、又はＳＳＣ＝（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（サマリウムストロンチウムコバルタイト）、およびそれらとＧＤＣなどの酸素イオン伝導材料との複合物によって構成することができる。また、酸素極活性部８１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。酸素極活性部８１の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。

［酸素極集電部］
酸素極集電部８２は、酸素極活性部８１上に配置されている。酸素極集電部８２は、酸素極活性部８１から、隣の素子部５に向かって延びている。酸素極集電部８２は、インターコネクタ９を介して隣の素子部５の水素極集電部６１と電気的に接続されている。なお、水素極集電部６１と酸素極集電部８２とは、第１方向において、反応領域から互いに反対側に延びている。なお、反応領域とは、電解セル１０の平面視（ｚ軸方向視）において、水素極活性部６２と電解質７と酸素極活性部８１とが重複する領域である。

酸素極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。酸素極集電部８２は、焼成体である。酸素極集電部８２は、酸素極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。酸素極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

酸素極集電部８２は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、又は、Ａｇ－Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。なお、酸素極集電部８２の厚さは、例えば、５０～５００μｍ程度である。

［インターコネクタ］
インターコネクタ９は、第１方向において隣り合う素子部５同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ９は、隣り合う素子部５の一方の素子部５の水素極６と、他方の素子部５の酸素極８とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ９は、隣り合う素子部５の一方の素子部５の水素極集電部６１と、他方の素子部５の酸素極集電部８２とを電気的に接続している。

このように、各素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて電解セル１０の基端部１０１から先端部１０２まで直列に接続されている。

インターコネクタ９は、水素極集電部６１の主面６１１上に配置されている。インターコネクタ９は、第１方向において、水素極活性部６２と間隔をあけて配置されている。

インターコネクタ９は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される。インターコネクタ９は、焼成体である。インターコネクタ９は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９の気孔率は、０～７％程度である。インターコネクタ９は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）、又は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）などによって構成することができる。インターコネクタ９の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。

図７に示すように、各電解セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタ９は、第１主面４５に配置される素子部５と、第２主面４６に配置される素子部５とを電気的に接続している。

第２主面４６において最も基端側に配置された素子部５の酸素極集電部８２は、第２主面４６から支持基板４の側面を介して第１主面４５まで延びている。すなわち、この最も基端側に配置された素子部５の酸素極集電部８２は、環状に延びている。そして、第１主面４５において最も基端側に配置されたインターコネクタ９は、第２主面４６から第１主面４５まで延びる酸素極集電部８２と、第１主面４５において最も基端側に配置された素子部５の水素極集電部６１と、を電気的に接続している。

このように、第１主面４５において直列接続された複数の素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の素子部５とは、インターコネクタ９によって、電解セル１０の基端部１０１において直列接続されている。

［集電部材］
図８に示すように、セルスタック装置１００は、集電部材１２をさらに有している。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の間に配置されている。そして、集電部材１２は、隣り合う電解セル１０を互いに電気的に接続している。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の先端部１０２同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の素子部５のうち、最も先端側に配置された素子部５よりも先端側に配置されている。集電部材１２は、隣り合う電解セル１０の最も先端側に配置された素子部５同士を電気的に接続している。

集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、素子部５から延びる酸素極集電部８２に接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

［発熱機構］
図５に示すように、第１素子部５ａは、電解セル１０の運転時において、第１素子部５ａを除いた他の素子部５よりも高温となる。例えば、第１素子部５ａの温度は、７５０～９００℃程度であり、他の素子部５は、６５０～８５０℃程度となる。第１素子部５ａの温度は、他の素子部５の温度よりも３０～２５０℃程度高い。なお、他の素子部５の温度とは、第１素子部５ａを除いた各素子部５の温度の平均値とする。第１素子部５ａは、電解セル１０の運転時において、各素子部５の中で最も高温となることが好ましい。

なお、第１素子部５ａ及び他の素子部５の温度は、電解セル１０の運転時において、先端をアルミナ管で被覆するなどの絶縁処理を加えた熱電対を、各素子部５に接触させることによって測定することができる。

第１素子部５ａは、他の素子部５よりも高温となるように発熱機構を有している。この第１素子部５ａの発熱機構は、第１素子部５ａにおけるオーム抵抗を、他の素子部５におけるオーム抵抗よりも大きくすることによって構成される。なお、第１素子部５ａは、各素子部５の中で最もオーム抵抗が大きいことが好ましい。

例えば、水素極集電部６１、水素極活性部６２、酸素極活性部８１、及び酸素極集電部８２の少なくとも一つのオーム抵抗を大きくすることによって、第１素子部５ａのオーム抵抗を他の素子部５のオーム抵抗よりも大きくすることができる。ここで、水素極集電部６１、水素極活性部６２、酸素極活性部８１、及び酸素極集電部８２の少なくとも一つにおいて、電子伝導性を担う材料の含有量を低減させる、電子伝導性の低い材料に変更する、あるいは固相密度を低くすることによって、水素極活性部６２、酸素極活性部８１、及び酸素極集電部８２の少なくとも一つのオーム抵抗を大きくすることができる。

また、電解質７のうち、第１素子部５ａの水素極活性部６２と酸素極活性部８１（反応防止膜１１）とによって挟まれた部分を、他の素子部５の水素極活性部６２と酸素極活性部８１（反応防止膜１１）とによって挟まれた部分よりも厚くすることによって、第１素子部５ａのオーム抵抗を他の素子部５のオーム抵抗よりも大きくすることもできる。

なお、他の素子部５のオーム抵抗とは、第１素子部５ａを除いた各素子部５のオーム抵抗の平均値とする。第１素子部５ａ及び他の素子部５のオーム抵抗は、各素子ごとに電圧計測線を設けた上で電流遮断法によって測定することができる。

［使用方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、電極間に電力を供給しながら、マニホールド２の供給室２１にＨ_２Ｏ及びＣＯ_２を供給する。そして、第１流路４３内を流れるＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が素子部５において共電解されて、Ｈ_２、及びＣＯが生成される。このように生成されたＨ_２、及びＣＯは、第２流路４４内を流れて、回収室２２で回収される。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。なお、各変形例は同時に適用することができる。

（ａ）上記実施形態では、第１素子部５ａの発熱機構は、第１素子部５ａにおけるオーム抵抗を、他の素子部５におけるオーム抵抗よりも大きくすることによって構成されているが、発熱機構の構成はこれに限定されない。

例えば、発熱機構は、第１素子部５ａにおける拡散抵抗を他の素子部５における拡散抵抗よりも大きくすることによって構成されてもよい。詳細には、発熱機構は、第１素子部５ａの水素極集電部６１または水素極活性部６２における拡散抵抗を、他の素子部５の水素極集電部６１または水素極活性部６２における拡散抵抗よりも大きくすることによって構成されてもよい。第１素子部５ａは、各素子部５の中で最も拡散抵抗が大きいことが好ましい。このように第１素子部５ａの水素極６における拡散抵抗を大きくすることにより水素極６にて拡散過電圧が生じ、電力損失が生じる結果として発熱が生じる。すなわち拡散抵抗を高め、拡散過電圧を大きくすることが発熱に対して重要である。

なお、他の素子部５における拡散抵抗とは、第１素子部５ａを除いた各素子部５における拡散抵抗の平均値とする。ここで、拡散抵抗は、第１流路４３から三相界面まで、すなわち水素極６、主には水素極集電部６１内を、Ｈ_２ＯやＣＯ_２などのガスが流れる際の拡散抵抗を意味する。

各素子部５の拡散抵抗は、電解反応のＩＶ測定によって測定される過電圧によって把握することができる。

例えば、第１素子部５ａの水素極６における気孔率を、他の素子部５の水素極６における気孔率よりも小さくすることによって、第１素子部５ａにおける拡散抵抗を他の素子部５における拡散抵抗よりも大きくする。なお、第１素子部５ａは、各素子部５の中で最も気孔率が小さいことが好ましい。

より具体的には、第１素子部５ａの水素極集電部６１における気孔率を、他の素子部５の水素極集電部６１における気孔率よりも小さくする。なお、他の素子部５における気孔率は、第１素子部５ａを除いた各素子部５における気孔率の平均値とする。第１素子部５ａの水素極活性部６２の気孔率を、他の素子部５の水素極活性部６２の気孔率よりも小さくしてもよい。

各素子部５の気孔率は、例えば、断面ＳＥＭ画像の画像解析により測定することができる。例えば、複数の第１流路４３のうち、中央に配置される第１流路４３に沿って、各素子部５の断面を形成する。そして、その各断面を精密機械研磨した後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのＩＭ４０００によってイオンミリング加工処理を施す。

次に、インレンズ二次電子検出器を用いたＦＥ－ＳＥＭ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：電界放射型走査型電子顕微鏡）を用いて、気孔を確認できる程度の倍率（例えば、５０００～３００００倍）で各断面を拡大したＳＥＭ画像を取得する。

次に、ＳＥＭ画像の輝度を２５６階調に分類することによって、気孔とその他との明暗差を２値化する。例えば、気孔以外を薄灰色、気孔を黒色に表示させることができる。

次に、ＭＶＴｅｃ社（ドイツ）製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮを用いて、ＳＥＭ画像を画像解析することによって、気孔が強調表示された第１解析画像と、気孔以外が強調表示された第２解析画像とを取得する。

次に、第１解析画像から気孔の合計面積（以下、「気孔面積」とも言う）を取得し、第２解析画像から気孔以外の合計面積（以下、「固相面積」とも言う）を取得し、さらに、気孔面積と固相面積とを足した面積（以下、「全面積」とも言う）を取得する。

次に、気孔面積を全面積で除すことによって気孔の面積占有率（％）を算出する。

以上の解析を各素子部５の同一断面において無作為に選択した５箇所で行い、５箇所で算出された気孔の面積占有率の算術平均値を各素子部５における気孔率とする。

このように、本明細書では、画像解析にて算出した面積占有率を、気孔率とみなす。２次元の組織から３次元の構造を推定する手法については、“水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、１９８５年３月２５日発行、第１９０頁～第２０１頁”に記載されている。

（ｂ）発熱機構は、平面視における第１素子部５ａの面積を他の素子部５の面積よりも小さくすることによって構成することもできる。例えば、平面視において、第１素子部５ａを構成する各部材の面積を、他の素子部５を構成する各部材の面積よりも小さくする。なお、第１素子部５ａを構成する各部材のうち少なくとも一つの面積を、これと対応する他の素子部５の部材の面積よりも小さくすればよい。第１素子部５ａは、各素子部５の中で最も平面視における面積が小さいことが好ましい。これにより第１素子部５ａの電流密度を高めることができ、発熱量が増大する。

なお、他の素子部５の面積とは、第１素子部５ａを除いた各素子部５の面積の平均値とする。
（ｃ）上記実施形態では、連通流路３０は連通部材３に形成されていたが、連通流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、連通流路３０は、支持基板４内に形成されていてもよい。この場合、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１流路４３と第２流路４４とが連通されている。

（ｄ）上記実施形態では、第１流路４３の先端部４３２と第２流路４４の先端部４４２とが連通流路３０を介して間接的に連通していたが、第１及び第２流路４３，４４の構成はこれに限定されない。例えば、第１流路４３の先端部４３２と第２流路４４の先端部４４２とが直接連通していてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、電解セル１０は、第２流路４４を有していたが、電解セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、電解セル１０は、第１流路４３のみを有していてもよい。この場合、電解セル１０は、連通流路３０も有していない。また、マニホールド２は供給室２１のみを有し、回収室２２及び仕切板２４を有していない。

（ｆ）上記実施形態では、素子部５は、平面視（ｚ軸方向視）において、第２流路４４とは重複していないが、電解セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、素子部５は、平面視において、第２流路４４と重複してもよい。すなわち、素子部５は、支持基板の第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに亘って配置されていてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、いわゆる円筒平板型の電解セルについて説明したが、電解セルの構成はこれに限定されず、例えば、電解セルは円筒型などであってもよい。

４ ：支持基板
５ ：素子部
５ａ ：第１素子部
１０ ：電解セル
４３ ：第１流路
４４ ：第２流路

Claims (6)

1. 支持基板と、
   前記支持基板内を延びる第１流路と、
   前記第１流路に沿って前記支持基板上に配置される複数の素子部と、
   を備え、
   前記複数の素子部のうち最下流に配置される第１素子部は、運転時において他の素子部よりも高温となる、
   電解セル。
   
2. 前記第１素子部は、他の素子部よりも高温となるように発熱機構を有する、
   請求項１に記載の電解セル。
   
3. 前記発熱機構は、前記第１素子部におけるオーム抵抗を他の素子部におけるオーム抵抗よりも大きくすることによって構成される、
   請求項２に記載の電解セル。
   
4. 前記発熱機構は、前記第１素子部における拡散抵抗を他の素子部における拡散抵抗よりも大きくすることによって構成される、
   請求項２に記載の電解セル。
   
5. 前記発熱機構は、平面視における前記第１素子部の面積を他の素子部の面積よりも小さくすることによって構成される、
   請求項２に記載の電解セル。
   
6. 前記支持基板内を前記第１流路と同じ方向に延びる第２流路をさらに備え、
   前記第２流路は、その先端部において前記第１流路と連通する、
   請求項１から５のいずれかに記載の電解セル。

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