电化学装置及氢生成方法与流程

1.本公开涉及电化学装置及氢生成方法。


背景技术：

2.作为利用电解的氢制造方法之一，已知使用固体氧化物型电化学单元(soec：solid oxide electrolysis cell(固体氧化物型电解池))的高温水蒸气电解。高温水蒸气电解，通过使用热能作为电解反应所需的能量，能够实现高的转换效率。作为固体氧化物型电化学单元的电解质，可使用三氧化二钇稳定化氧化锆等的氧离子传导体。
3.在高温水蒸气电解中，向氢极供给水蒸气，水蒸气被分解成氢和氧离子。氧离子在电解质层中传导而到达氧极，并在氧极变化为氧。包含所生成的氢和残余的水蒸气的混合气体从氢极排出。
4.若考虑氢的用途，则希望提高所生成的氢的纯度。在专利文献1中记载了一种电力储存系统，其被构成为：将氢与水蒸气的混合气体通至冷凝器中从而除去水，然后，将氢压缩并储存于氢储存罐。
5.在先技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2010
‑
176939号公报


技术实现要素：

8.在利用了高温水蒸气电解的以往的系统中，存在从氢与水蒸气的混合气体分离氢时的能量损失大这一课题。
9.本公开提供用于降低从氢与水蒸气的混合气体分离氢时的能量损失的技术。
10.本公开提供一种电化学装置，其具备第一堆、第二堆和绝热材料，
11.所述第一堆包含氧离子传导体作为电解质，且将水蒸气分解而生成氢和氧，
12.所述第二堆包含质子传导体作为电解质，且从在所述第一堆中生成的所述氢与在所述第一堆中未被分解的所述水蒸气的混合气体分离所述氢，
13.所述绝热材料包覆所述第一堆及所述第二堆。
14.根据本公开的技术，能够降低从氢与水蒸气的混合气体分离氢时的能量损失。
附图说明
15.图1是本公开的第1实施方式涉及的电化学装置的构成图。
16.图2是本公开的第2实施方式涉及的电化学装置的构成图。
17.图3是本公开的第3实施方式涉及的电化学装置的构成图。
18.图4是本公开的第4实施方式涉及的电化学装置的构成图。
19.图5是本公开的第5实施方式涉及的电化学装置的构成图。
20.图6是本公开的第6实施方式涉及的电化学装置的构成图。
具体实施方式
21.(成为本公开的基础的见解)
22.在专利文献1所记载的电力储存系统中，水蒸气与氢的混合气体被通至冷凝器从而从混合气体除去水蒸气，得到高浓度的氢。在冷凝水从而除去水的情况下，为了充分降低饱和水蒸气压，需要充分降低混合气体的温度。例如，要将水蒸气的浓度降低至1％以下的浓度的话，需要将混合气体的温度降低至小于10℃。用于冷却混合气体的冷却机构及用于使该冷却机构工作的能量是不可缺少的。
23.作为用于从混合气体分离氢的别的方法，存在通过使沸石等吸附材料吸附水来得到高浓度的氢的方法。但是，由于吸附材料的容量有限，因此需要定期地实施吸附材料的再生处理。吸附材料的再生处理通过使压力及温度摆动(swing)而从吸附材料除去水来进行。需要用于使再生处理所需的机构工作的能量。
24.也存在利用使氢选择性地透过的氢分离膜来得到高浓度的氢的方法。作为氢分离膜，钯膜已众所周知。由于氢分离膜的一个面侧与另一个面侧之间的氢浓度差是分离的驱动力，因此为了确保充分的氢的透过量，需要用于使氢分离膜的一个面侧与另一个面侧之间的氢分压之差增加的机构。或者，需要使氢分离膜的面积充分大。用于使压力差增加的机构，需要用于使该机构工作的能量。在氢分离膜中，使用了昂贵的钯。因此，大面积的氢分离膜会招致设备成本的大幅度的增加。
25.不论在上述的以往的哪个方法中，在从混合气体分离氢来得到高浓度的氢时，都会产生大的能量损失。另外，不论在以往的哪个方法中，能量都以低温的热能的形式被消耗。低温的热能的回收并不容易。因此，通过热能的回收来降低能量损失也是困难的。
26.本发明人关于用于从混合气体分离氢的技术反复进行了潜心研究。其结果，本发明人发现：通过使用质子传导体，能够降低能量损失并且得到高浓度的氢。
27.本发明人的上述见解是迄今为止并未被人们知道的，是示出新的构成的电化学装置的见解。具体而言，本公开提供以下所示的方式。
28.(本公开涉及的一方式的概要)
29.本公开的第1方式涉及的电化学装置，具备第一堆、第二堆和绝热材料，
30.所述第一堆包含氧离子传导体作为电解质，且将水蒸气分解而生成氢和氧，
31.所述第二堆包含质子传导体作为电解质，且从在所述第一堆中生成的所述氢与在所述第一堆中未被分解的所述水蒸气的混合气体分离所述氢，
32.所述绝热材料包覆所述第一堆及所述第二堆。
33.根据第1方式，能够降低从氢与水蒸气的混合气体分离氢时的能量损失。
34.在本公开的第2方式中，例如，第1方式涉及的电化学装置可以还具备第一路径、第二路径和第三路径，所述第一路径与所述第一堆连接，且向所述第一堆引导所述水蒸气，所述第二路径将所述第一堆和所述第二堆连接，且从所述第一堆向所述第二堆引导所述混合气体，所述第三路径是在所述第二堆中分离了的所述氢流通的路径。根据第2方式，能够连续且稳定地得到高浓度的氢。
35.在本公开的第3方式中，例如，第1或第2方式涉及的电化学装置可以还具备从液相的水生成应该向所述第一堆供给的所述水蒸气的蒸发器。根据第3方式，能够向第一堆稳定地供给水蒸气电解所需的水蒸气。
36.在本公开的第4方式中，例如，在第3方式涉及的电化学装置中，所述第一堆、所述第二堆及所述蒸发器可以被所述绝热材料包覆。根据第4方式，能够利用在电化学装置运转时存在于箱体(框体)的内部的热来供给用于使水蒸发的能量。
37.在本公开的第5方式中，例如，第1～第4方式的任一个涉及的电化学装置可以还具备向所述第一堆和所述第二堆供给电的电源。根据第5方式，能够向第一堆及第二堆切实地供给需要的电能。因此，根据第5方式，能够高效率地生成高浓度的氢。
38.在本公开的第6方式中，例如，第1～第4方式的任一个涉及的电化学装置可以还具备向所述第一堆供给电的第一电源和向所述第二堆供给电的第二电源。根据第6方式，能够分开地控制第一电源及第二电源。
39.在本公开的第7方式中，例如，在第1～第6方式的任一个涉及的电化学装置中，所述质子传导体可以包含选自bazr1‑
x1
m1
x1
o3‑
δ
、bace1‑
x2
m2
x2
o3‑
δ
和bazr1‑
x3
‑
y3
ce
x3
m3
y3
o3‑
δ
中的至少一者。m1、m2及m3分别可以包含选自pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、y、sc、in和lu中的至少1种，x1的值满足0<x1<1，x2的值满足0<x2<1，x3的值满足0<x3<1，y3的值满足0<y3<1，δ的值满足0<δ<0.5。这些质子传导体具有高的质子传导性。
40.在本公开的第8方式中，例如，在第7方式涉及的电化学装置中，所述质子传导体可以由bazr1‑
x1
m1
x1
o3‑
δ
构成。bazr1‑
x1
yb
x1
o3‑
δ
具有高的质子传导性。
41.本公开的第9方式涉及的氢生成方法，包括以下步骤：
42.使用包含氧离子传导体作为电解质的第一堆，将水蒸气分解而生成氢和氧；和
43.使用包含质子传导体作为电解质的第二堆，从在所述第一堆中生成的所述氢与在所述第一堆中未被分解的所述水蒸气的混合气体分离所述氢。
44.根据第9方式，能够高效率地生成高浓度的氢。
45.本公开的第10方式涉及的电化学装置，具备：
46.包含氧离子传导体作为电解质的第一堆；
47.包含质子传导体作为电解质的第二堆；和
48.包覆所述第一堆及所述第二堆的绝热材料，
49.使用氧和通过了所述第二堆的氢，在所述第一堆中进行发电反应。
50.根据第10方式，能够向外部供给电能。
51.本公开的第11方式涉及的电化学装置，具备：
52.包含氧离子传导体作为电解质的第一堆；
53.包含质子传导体作为电解质的第二堆；
54.包覆所述第一堆及所述第二堆的绝热材料；和
55.向所述第一堆引导包含氢的气体的氢供给路径，
56.使用氧和从所述氢供给路径供给的氢，在所述第一堆中进行发电反应。
57.根据第11方式，能够不经由第二堆而向外部供给电能。
58.以下，一边参照附图一边对本公开的实施方式进行说明。本公开不限定于以下的实施方式。
59.(第1实施方式)
60.图1示出本公开的第1实施方式涉及的电化学装置100的构成。电化学装置100具备第一堆10及第二堆20。第一堆10具有1个或多个第一单元。第一堆10，作为典型，具有层叠的
多个第一单元。第一单元由第一电解质层11、第一电极12及第二电极13构成。第一电解质层11配置在第一电极12与第二电极13之间。第二堆20包含1个或多个第二单元。第二堆20，作为典型，具有层叠的多个第二单元。第二单元由第二电解质层21、第三电极22及第四电极23构成。第二电解质层21配置在第三电极22与第四电极23之间。在图1中，第一堆10及第二堆20分别为了方便起见而用单一的单元(cell)表示出。
61.第一电解质层11包含氧离子传导体作为电解质。第二电解质层21包含质子传导体作为电解质。
62.电化学装置100还具备具有绝热性的箱体31。箱体31由绝热材料构成。第一堆10及第二堆20被容纳于箱体31中。换言之，第一堆10及第二堆20被绝热材料包覆。箱体31抑制在电化学装置100运转时的热能向外部的放出。在图1中，单一的箱体31包覆第一堆10及第二堆20。但是，本实施方式不限定于此。例如，也可以两个箱体将第一堆10和第二堆20分别包覆。
63.绝热材料的种类没有特别的限定，能够使用具有绝热性的通用的材料。作为绝热材料，可举出玻璃棉、超级棉(super wool)、石棉、陶瓷纤维、矿渣棉、硅酸钙、硬质聚氨酯泡沫等。作为绝热材料，也可以使用以气相法二氧化硅(fumed silica)为主成分且配合有无机纤维状物质和红外线隔断材料的特殊耐热绝热材料。绝热材料也可以是真空绝热材料。真空绝热材料用外包材(外装材)和芯材制成，其内部被减压且被密封。外装材例如可通过层叠金属箔和树脂膜而得到。可为金属层压膜。芯材例如为玻璃棉等多孔质结构材料。将从以上的材料选择的1种或2种以上配置于第一堆10及第二堆20的周围。根据需要，为了绝热材料的固定及收纳而利用金属板等支持材料包覆第一堆10及第二堆20，由此能够构成具有绝热性的箱体31。
64.第一堆10将水蒸气分解而生成氢和氧。该过程是使用了soec的高温水蒸气电解。在第一堆10中生成的氢与在第一堆10中未被分解的水蒸气的混合气体，从第一堆10被送至第二堆20。第二堆20通过质子传导体的作用而从混合气体选择性地分离氢。再者，一般地，在质子传导体中，在高氧分压下产生空穴传导。然而，如图1所示，通过将从第一堆10产生的混合气体向具有质子传导体的第二堆20供给，能够抑制第二堆20被暴露于高氧分压下。其结果，第二堆20中的空穴传导被降低。因此，与质子传导体暴露于高氧分压下的构成相比，第二堆20的能量损失(例如，氢分离的损失及漏电流的损失)被降低。由此，能够得到高浓度的氢。
65.由于质子传导体的工作温度也为高温，因此能够在被绝热材料包覆而维持为高温的状态下使第一堆10及第二堆20这两者工作。若第一堆10及第二堆20被绝热材料包覆，则容易向第一堆10供给高温水蒸气电解所需的热能。另外，在第二堆20中，在质子传导的过程中产生热。根据本实施方式，能够将在第二堆20中产生的热作为在第一堆10中水蒸气电解所需的热能的一部分利用。其结果，能够实现能量损失的削减。换言之，电化学装置100运转时的能量效率提高。
66.在箱体31的内部也可以设置有用于使箱体31的内部的温度上升的加热装置。作为加热装置，可举出燃烧器、电阻加热加热器、红外线加热器等。
67.在本说明书中，“氢”及“氧”只要没有特别的说明就分别意指“氢气”及“氧气”。
68.电化学装置100作为氢生成系统而运转，如后述那样，也有时作为燃料电池系统而
运转。氢生成系统是用于生成氢的系统。燃料电池系统是用于生成电的系统。
69.在第一堆10中，作为第一电解质层11中所使用的氧离子传导体，可举出稳定化氧化锆、镓酸镧系氧化物、二氧化铈系氧化物等。第一电解质层11也可以为致密体。
70.第一电极12包含用于使水蒸气的电化学氧化反应进行的催化剂。作为催化剂，能够使用ni等金属。第一电极12也可以由金属陶瓷构成。所谓金属陶瓷是金属与陶瓷材料的混合物。作为金属陶瓷，可举出ni
‑
ysz、ni与二氧化铈系氧化物的混合物等。若第一电极12由金属陶瓷构成，则能够期待增加用于使水蒸气氧化的反应活性点的效果。为了促进水蒸气的扩散，第一电极12也可以为多孔体。
71.第二电极13包含用于使氧离子的电化学氧化反应进行的催化剂。作为催化剂，可举出包含选自mn、fe、co和ni中的至少1种元素的氧化物。作为催化剂的具体例，可举出镧锶钴铁复合氧化物(lscf)、镧锶钴复合氧化物(lsc)、镧锶铁复合氧化物(lsf)、镧锶锰复合氧化物(lsm)、钡锶钴铁复合氧化物(bscf)、钐锶钴复合氧化物(ssc)、镧镍铁复合氧化物、镧镍复合氧化物、钡钆镧钴复合氧化物等。催化剂也可以是包含选自mn、fe、co和ni中的至少1种元素的氧化物与其他的氧化物或金属的复合体。为了促进生成的氧的扩散，第二电极13也可以为多孔体。
72.在第二堆20中，作为第二电解质层21中所使用的质子传导体，可举出质子传导性氧化物。具体而言，第二电解质层21能够包含选自bazr1‑
x1
m1
x1
o3‑
δ
、bace1‑
x2
m2
x2
o3‑
δ
和bazr1‑
x3
‑
y3
ce
x3
m3
y3
o3‑
δ
中的至少一者作为质子传导体。m1、m2及m3分别能够包含选自pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、y、sc、in和lu中的至少1种。x1的值满足0<x1<1。x2的值满足0<x2<1。x3的值满足0<x3<1。y3的值满足0<y3<1。δ的值满足0<δ<0.5。这些质子传导体具有高的质子传导性。通过使用具有高的质子传导性的固体电解质，能够使第二堆20的电化学性能提高。质子传导体也可以由bazr1‑
x1
yb
x1
o3‑
δ
构成。bazr1‑
x1
yb
x1
o3‑
δ
具有高的质子传导性。变量δ是用于在组成上表示氧化物的晶格中的氧的缺陷量的值。δ的值相应于x1、x2、x3、y3、温度、氧分压、水蒸气分压等而变化。第二电解质层21也可以为致密体。
73.第三电极22包含用于将氢电化学地氧化的催化剂。作为催化剂，能够使用ni等金属。第三电极22也可以由金属陶瓷构成。作为金属陶瓷，可举出ni与质子传导性氧化物的混合物，例如ni与bazr1‑
x1
yb
x1
o3‑
δ
的混合物等。若第三电极22由金属陶瓷构成，则能够期待增加用于使氢氧化的反应活性点的效果。为了促进氢及水蒸气的扩散，第三电极22也可以为多孔体。
74.第四电极23包含用于将质子电化学地还原的催化剂。作为催化剂，能够使用ni等金属。第四电极23也可以由金属陶瓷构成。作为金属陶瓷，可举出ni与质子传导性氧化物的混合物，例如ni与bazr1‑
x1
yb
x1
o3‑
δ
的混合物等。若第四电极23由金属陶瓷构成，则能够期待增加用于还原质子的反应活性点的效果。为了促进氢的扩散，第四电极23也可以为多孔体。
75.所谓“致密体”，例如意指具有85％以上的相对密度的材料。相对密度能够采用阿基米德法或水银压入法来测定。所谓“多孔体”例如意指具有20％以上的空隙率的材料。空隙率能够采用阿基米德法或水银压入法来测定。
76.电化学装置100具备第一路径3、第二路径4及第三路径5。第一路径3是向第一堆10引导水蒸气的路径，与第一堆10连接。详细而言，第一路径3从箱体31的外部延伸到箱体31的内部，并与第一堆10的第一电极12连接。第一路径3的起始端例如连接于外部的水源。第
二路径4是从第一堆10向第二堆20引导混合气体的路径，将第一堆10和第二堆20连接。详细而言，第二路径4将第一堆10的第一电极12和第二堆20的第三电极22连接。第三路径5是在第二堆20中分离了的氢流通的路径，与第二堆20连接。详细而言，第三路径5与第二堆20的第四电极23连接。第三路径5从箱体31的内部延伸到箱体31的外部，并与氢储存设备等连接。
77.通过第一路径3，水蒸气电解所需的水蒸气被供给至第一堆10。通过第二路径4，从第一堆10向第二堆20供给混合气体。通过第三路径5，分离了的氢向电化学装置100的外部供给。根据本实施方式的构成，能够使这一系列的工序适当地进行，能够连续且稳定地得到高浓度的氢。
78.电化学装置100还具备第四路径6及第五路径7。第四路径6是从第二堆20排出的混合气体流通的路径，与第二堆20连接。详细而言，第四路径6与第二堆20的第三电极22连接。第四路径6从箱体31的内部延伸到箱体31的外部。第五路径7是在第一堆10中生成的氧流通的路径，与第一堆10连接。详细而言，第五路径7与第一堆10的第二电极13连接。第五路径7从箱体31的内部延伸到箱体31的外部，并与氧储存设备等连接。
79.各路径由金属配管等具有耐热性的配管构成。
80.电化学装置100还具备蒸发器30。蒸发器30从液相的水(在图1中记为h2o(l))生成应该向第一堆10供给的水蒸气。在本实施方式中，蒸发器30配置于第一路径3。根据蒸发器30，能够使用液相的水作为原料来生成水蒸气，并且能够向第一堆10稳定地供给水蒸气电解所需的水蒸气。
81.在本实施方式中，蒸发器30与第一堆10及第二堆20一起收纳于箱体31中。换言之，第一堆10、第二堆20及蒸发器30被绝热材料包覆。根据这样的构成，能够利用在电化学装置100运转时存在于箱体31的内部的热来供给用于使水蒸发的能量。因此，电化学装置100运转时的能量效率提高。
82.作为蒸发器30，能够使用翅片管热交换器、板式热交换器、管壳式热交换器等公知的热交换器。为了使液相的水蒸发，能使用高温的热介质。高温的热介质可以是存在于箱体31的内部的高温的空气等气体。另外，高温的热介质也可以是被存在于箱体31的内部的高温的空气加热了的油等液体。高温的热介质也可以从电化学装置100的外部向蒸发器30供给。
83.蒸发器30也可以配置于箱体31的外部。也可以省略蒸发器30而将在电化学装置100的外部生成的水蒸气直接导入至第一路径3中。例如，在另行存在高温的热源的情况下，蒸发器30能够以使用高温的热源在箱体31的外部生成水蒸气的方式构成。或者，在水蒸气自身剩余地存在的情况下，也可以省略蒸发器30而向第一路径3直接导入水蒸气。
84.电化学装置100还具备电源40。电源40向第一堆10和第二堆20供给电。在本实施方式中，电源40被第一堆10及第二堆20共用。电源40与第一堆10的第二电极13和第二堆20的第四电极23连接。第一堆10的第一电极12和第二堆20的第三电极22电连接。也就是说，第一堆10和第二堆20串联连接。根据电源40，能够向第一堆10及第二堆20切实地供给所需的电能，由此，能够高效率地生成高浓度的氢。电源40被第一堆10及第二堆20共用有助于成本的降低。
85.接着，详细说明电化学装置100的运转。在电化学装置100中，将水蒸气分解而生成
氢和氧的工序和从氢与水蒸气的混合气体分离氢的工序并行地进行。生成氢和氧的工序，使用包含氧离子传导体作为电解质的第一堆10来进行。从混合气体分离氢的工序，使用包含质子传导体作为电解质的第二堆20来进行。混合气体包含在第一堆10中生成的氢和在第一堆10中未被分解的水蒸气。通过实施这些工序，能够高效率地生成高浓度的氢。
86.若向第一路径3导入液相的水，则水在设置于第一路径3的蒸发器30中蒸发。由此，生成水蒸气。水蒸气通过第一路径3而到达第一堆10的第一电极12。若将电源40接通，则向第一堆10的第一电极12供给电子。在第一电极12处，发生水蒸气的还原反应，生成氢和氧离子。氢及未反应的水蒸气从第一堆10排出，通过第二路径4而被供给至第二堆20。氧离子在第一电解质层11中传导而到达第二电极13。在第二电极13处，发生氧离子的氧化反应，生成氧。氧从第二电极13排出，通过第五路径7而被引导至电化学装置100的外部。
87.通过第二路径4，从第一堆10的第一电极12向第二堆20的第三电极22供给氢与水蒸气的混合气体。在第三电极22处，发生氢的氧化反应，生成质子。质子在第二电解质层21中传导而到达第四电极23。在第四电极23处，发生质子的还原反应，生成氢。由于水分子几乎不在第二电解质层21中传导，仅质子在第二电解质层21中传导，因此能够得到高浓度的氢。氢通过第三路径5而被引导至电化学装置100的外部。氢例如被储存于氢储存设备。未反应的氢及未反应的水蒸气从第二堆20排出，并通过第四路径6而被引导至电化学装置100的外部。也可以通过燃烧器或催化燃烧来使氢燃烧。燃烧热能够为了将箱体31的内部的温度维持为适合于各反应的温度而使用。
88.各电极处的反应如下。
89.第一电极12：2h2o 4e
‑
→
2h2 2o2‑
90.第二电极13：2o2‑
→
o2 4e
‑
91.第三电极22：h2→
2h

2e
‑
92.第四电极23：2h

2e
‑
→
h293.只要不显著阻碍各电极处的反应，则在各路径中流通的气体中也可以包含其他的成分。例如，在第一电极12中使用了ni的情况下，为了抑制ni的氧化，可以向水蒸气混合氢来向第一路径3供给。
94.在电化学装置100运转时，第一堆10及第二堆20的周围的温度例如被保持为500℃以上且1000℃以下。由于第一堆10及第二堆20被收纳于箱体31中，因此能够使第一堆10及第二堆20各自在适合于反应的温度下工作。散热损失也能够因箱体31而降低。
95.第二堆20中的一系列的氢分离反应是放热反应。另一方面，第一堆10中的一系列的水蒸气电解反应是吸热反应。通过将在第二堆20中产生的热封在箱体31的内部，并利用第一堆10中的吸热反应，能够效率好地利用热。其结果，能够进一步降低能量损失。作为用于将在第二堆20中产生的热利用于第一堆10中的吸热反应的手段，能够使用各种热交换手段。例如，可举出通过使构成多个路径的配管互相接触而使在配管中流通的流体互相热交换的热交换器。仅凭第一堆10及第二堆20被收纳于单一的箱体31中，在第二堆20中产生的热也能够被利用于第一堆10中的吸热反应。
96.在本实施方式中，蒸发器30被收纳于箱体31中。在该情况下，能够将在第一堆10及第二堆20工作时存在于箱体31的内部的热使用于蒸发器30中的水的蒸发。例如，将在第三路径5、第四路径6或第五路径7中流通的气体的热能通过热交换而回收，并向蒸发器30供
给。如果这样做的话，则能够降低向电化学装置100的外部放出的热能。因此，能够使电化学装置100运转时的能量效率提高。
97.以下，对其他的几个实施方式进行说明。第1实施方式和其他的实施方式中共同的要素附带相同的参照标记，有时省略对它们的说明。关于各实施方式的说明，只要在技术上不矛盾就能够相互应用。只要在技术上不矛盾，各实施方式就可以相互组合。
98.(第2实施方式)
99.图2示出本公开的第2实施方式涉及的电化学装置200的构成。电化学装置200，代替电源40而具备第一电源41及第二电源42。第一电源41向第一堆10供给电。第一电源41与第一堆10的第一电极12和第二电极13的每一个连接。第二电源42向第二堆20供给电。第二电源42与第二堆20的第三电极22和第四电极23的每一个连接。
100.根据先前说明了的电源40，第一堆10和第二堆20串联连接。因此，在第一堆10及第二堆20的各自中流通相等的值的电流。但是，存在适合于第一堆10中的水蒸气电解反应的电流值与适合于第二堆20中的电化学的氢分离的电流值不同的可能性。根据本实施方式，能够分开地控制第一电源41及第二电源42。在该情况下，能够向第一堆10及第二堆20的各自供给适合的大小的电力，因此电化学装置200具有优异的控制性。
101.(第3实施方式)
102.图3示出本公开的第3实施方式涉及的电化学装置300的构成。除了电源40被置换为外部负载43以外，电化学装置300具有与参照图1进行了说明的电化学装置100的构成相同的构成。第一堆10及第二堆20的构成与在第1实施方式中说明过的同样。
103.在电化学装置300的各电极处进行的反应，是与在第1实施方式的电化学装置100的各电极处进行的反应相反的反应。在本实施方式中，使用从外部供给的氧和通过了第二堆20的氢，在第一堆10中进行发电反应。根据本实施方式，能够向外部供给电能。关于这点，本实施方式与第1实施方式不同。
104.详细说明电化学装置300的运转。
105.第一堆10及第二堆20的工作温度例如为500℃以上且1000℃以下。这在本实施方式和第1实施方式中相同。
106.若向第三路径5导入氢，则氢向第二堆20的第四电极23流入。在第四电极23处，发生氢的氧化反应，生成质子。质子在第二电解质层21中传导而到达第三电极22。在第三电极22处，发生质子的还原反应，生成氢。氢从第二堆20排出，并通过第二路径4而被供给至第一堆10。
107.通过第二路径4，从第二堆20的第三电极22向第一堆10的第一电极12供给氢。通过第五路径7，包含氧的气体被供给至第二电极13。包含氧的气体的典型例是空气。在第二电极13处，发生氧的还原反应，生成氧离子。氧离子在第一电解质层11中传导而到达第一电极12。在第一电极12处，进行由氧离子及氢生成水蒸气及电子的电化学反应。水蒸气及未反应的氢从第一堆10排出，并通过第一路径3而被引导至电化学装置300的外部。也可以通过燃烧器或催化燃烧而使氢燃烧。
108.各电极处的反应如下。
109.第一电极12：2h2 2o2‑
→
2h2o 4e
‑
110.第二电极13：o2 4e
‑
→
2o2‑
111.第三电极22：2h

2e
‑
→
h2112.第四电极23：h2→
2h

2e
‑
113.根据本实施方式，即使在应向第三路径5导入的气体中不仅含有氢还含有水蒸气、二氧化碳等杂质，也能够在第二堆20中生成纯粹的氢并向第一堆10供给。其结果，在第一堆10中，能得到提高发电性能、抑制碳析出这些效果。应向第三路径5导入的气体例如也可以是通过将甲烷等原料气体改性而得到的含氢的气体，也可以是通过水蒸气电解而得到的含氢的气体。
114.在第一堆10中进行的反应是由氢及氧生成水蒸气及电能的电化学反应(即，燃料电池反应)。电能能够向与第一堆10连接的外部负载43供给。电能的一部分可被使用于第二堆20中的质子传导的能量。电化学装置300作为燃料电池系统发挥功能，生成电能。
115.只要不显著阻碍各电极处的反应，则在各路径中流通的气体中也可以包含其他的成分。例如，在第三电极22中使用了ni的情况下，为了抑制ni的氧化，可以以微小流量向第四路径6导入氢。为了提高第二电解质层21的质子传导性，可以向第三路径5或第四路径6以微小流量导入水蒸气。
116.(第4实施方式)
117.图4示出本公开的第4实施方式涉及的电化学装置400的构成。在电化学装置400中，外部负载43仅与第一堆10连接。在第二堆20上连接有第二电源42。在第一堆10中生成的电能向外部负载43供给。第二堆20中的质子的传导使用从第二电源42供给的电能来进行。由于能够分开地控制在第一堆10中生成的电能及在第二堆20中消耗的电能，因此电化学装置400具有优异的控制性。
118.(第5实施方式)
119.图5示出本公开的第5实施方式涉及的电化学装置500的构成。在电化学装置500中，外部负载43仅与第一堆10连接。在第二堆20上连接有第二电源42。在第二堆20的第三电极22上连接有第四路径6。
120.通过第四路径6而向第三电极22供给包含氢的气体。在这点上，电化学装置500与第4实施方式的电化学装置400不同。包含氢的气体通过第三电极22之后，通过第二路径4而向第一堆10供给。此时，在第二堆20中，不进行电化学反应，电源42也不工作。在第一堆10的第一电极12及第二电极13分别进行以下的反应。
121.第一电极12：2h2 2o2‑
→
2h2o 4e
‑
122.第二电极13：o2 4e
‑
→
2o2‑
123.本反应是燃料电池反应。能够通过本反应生成电能。生成的电能向外部负载43供给。
124.与第4实施方式涉及的电化学装置400不同，根据本实施方式，第二堆20中的电化学反应、即质子的传导不进行。因此，在第二堆20中不需要用于传导质子电能，能够期待电化学装置500的效率的提高。
125.(第6实施方式)
126.图6示出本公开的第6实施方式涉及的电化学装置600的构成。在电化学装置600中，外部负载43仅与第一堆10连接。在第二堆20上连接有第二电源42。电化学装置600具备第六路径8。第六路径8是用于向第一堆10供给包含氢的气体的氢供给路径。在本实施方式
中，第六路径8与第一堆10连接。详细而言，第六路径8与第一堆10的第一电极12连接。第六路径8从箱体31的内部延伸到箱体31的外部，并与氢储存设备等连接。
127.第六路径8可以直接连接于第一堆10的第一电极12，也可以连接于第二路径4。在第六路径8连接于第二路径4时，包含氢的气体能够通过第六路径8及第二路径4而向第一堆10的第一电极12供给。
128.在第一堆10的第一电极12及第二电极13分别进行以下的反应。
129.第一电极12：2h2 2o2‑
→
2h2o 4e
‑
130.第二电极13：o2 4e
‑
→
2o2‑
131.本反应是燃料电池反应。能够通过本反应生成电能。生成的电能向外部负载43供给。此时，在第二堆20中，不进行电化学反应，电源42也不工作。
132.与第4实施方式涉及的电化学装置400不同，根据本实施方式，第二堆20中的电化学反应、即质子的传导不进行。因此，在第二堆20中不需要用于传导质子的电能，能够期待电化学装置600的效率的提高。
133.产业上的可利用性
134.本公开涉及的电化学装置能够作为氢生成装置或燃料电池系统利用。
135.附图标记说明
[0136]3ꢀꢀ
第一路径
[0137]4ꢀꢀ
第二路径
[0138]5ꢀꢀ
第三路径
[0139]6ꢀꢀ
第四路径
[0140]7ꢀꢀ
第五路径
[0141]8ꢀꢀ
第六路径
[0142]
10 第一堆
[0143]
11 第一电解质层
[0144]
12 第一电极
[0145]
13 第二电极
[0146]
20 第二堆
[0147]
21 第二电解质层
[0148]
22 第三电极
[0149]
23 第四电极
[0150]
30 蒸发器
[0151]
31 箱体(绝热材料)
[0152]
40 电源
[0153]
41 第一电源
[0154]
42 第二电源
[0155]
43 外部负载
[0156]
100、200、300、400、500、600 电化学装置