+

WO2018181924A1 - 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法 - Google Patents

電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2018181924A1
WO2018181924A1 PCT/JP2018/013691 JP2018013691W WO2018181924A1 WO 2018181924 A1 WO2018181924 A1 WO 2018181924A1 JP 2018013691 W JP2018013691 W JP 2018013691W WO 2018181924 A1 WO2018181924 A1 WO 2018181924A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
electrode layer
electrochemical
electrochemical element
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/013691
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
南和徹
越後満秋
大西久男
津田裕司
真鍋享平
山▲崎▼　修
Original Assignee
大阪瓦斯株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=63678057&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO2018181924(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 大阪瓦斯株式会社 filed Critical 大阪瓦斯株式会社
Priority to KR1020197024361A priority Critical patent/KR20190127687A/ko
Priority to EP18775648.1A priority patent/EP3605680A4/en
Priority to JP2019510265A priority patent/JP7145844B2/ja
Priority to CN201880022209.4A priority patent/CN110447134A/zh
Priority to US16/497,478 priority patent/US11677080B2/en
Priority to CA3058582A priority patent/CA3058582A1/en
Priority to KR1020247034217A priority patent/KR20240153622A/ko
Publication of WO2018181924A1 publication Critical patent/WO2018181924A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8652—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H01M4/8885—Sintering or firing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8689—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical element having an electrode layer.
  • a fuel cell capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (usually air) has been developed.
  • the fuel cell has a structure in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode.
  • a fuel cell generates power by flowing a fuel gas to a fuel electrode and an oxygen-containing gas to an air electrode and heating to 1000 to 1050 ° C.
  • Patent Document 1 It is known that an air electrode reaction of a fuel cell mainly proceeds at a three-phase interface between a phase having oxide ion conductivity, a phase having electron conductivity, and a gas phase serving as a gas diffusion path. . Therefore, attempts have been made to produce a high-performance air electrode having a long three-phase interface length as a reaction field.
  • the air electrode has been produced by firing at a high temperature range of 1100 ° C. to 1200 ° C. (Patent Document 1).
  • Patent Document 2 the method of producing a nanocomposite electrode is also devised by producing an air electrode by vapor deposition (patent document 2), when produced by vapor deposition, it becomes a columnar structure and a three-dimensional gas diffusion path is formed. It was difficult to obtain and the electrode performance was insufficient.
  • vapor deposition is a batch process under vacuum, and there is a problem that manufacturing costs are high.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a low-cost electrochemical element having a high-performance electrode layer.
  • the characteristic configuration of the electrochemical device for achieving the above object is as follows: An electrochemical element having an electrode layer, The electrode layer contains small particles and large particles; The particle size of the small particles in the electrode layer is 200 nm or less, The large particles have a particle size of 500 nm or more in the electrode layer.
  • the electrode layer has a high performance having a three-dimensional gas diffusion path, whereby a high performance electrochemical device can be realized at a low cost.
  • the particle size of the small particles is 200 nm or less because the electrode layer can be a high-performance electrode layer having a three-dimensional gas diffusion path more surely.
  • the particle size of the large particles is 500 nm or more, it is preferable because the electrode layer can be a high-performance electrode layer having a three-dimensional gas diffusion path more certainly.
  • Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that the small particles and the large particles are made of different materials.
  • one of the small particles and the large particles is made a substance having ionic conductivity, and the other is made of a substance having electron conductivity, so that the three-phase interface length is long.
  • a high-performance electrode layer can be obtained.
  • At least one of the small particles and the large particles is a ceria-based oxide because the electrode layer becomes a high-performance electrode layer having a phase having high oxide ion conductivity. .
  • At least one of the small particles and the large particles is a zirconia-based oxide because the electrode layer becomes a high-performance electrode layer having a phase having high oxide ion conductivity. .
  • the electrode layer When at least one of the small particles and the large particles is a perovskite complex oxide, the electrode layer has a phase having both high electronic conductivity and high catalytic activity for oxygen reduction reaction. It is suitable because it becomes a simple electrode layer.
  • the perovskite oxide with relatively good sinterability becomes an aggregate, which makes it possible to obtain a high-performance electrode layer with a long three-phase interface length. ,preferable.
  • the large particles contained in the electrode layer 50% or more of the large particles have an aspect ratio of 2 or more obtained by dividing the length in the longitudinal direction by the length in the short direction.
  • the gas diffusion path is more reliably formed, and the performance of the electrode layer can be further enhanced.
  • the ratio of particles having an aspect ratio of 2 or more is 60% or more, more preferably 70% or more, and a three-dimensional gas diffusion path is more reliably formed, which is more preferable.
  • the aspect ratio is 2.5 or more, a three-dimensional gas diffusion path is more reliably formed, which is more preferable.
  • the porosity of the electrode layer is 20% or more and 40% or less, an electrode layer having a sufficient three-phase interface length is more reliably formed, and the performance of the electrode layer can be further enhanced. It is more preferable that the porosity of the electrode layer is 25% or more because a three-dimensional gas diffusion path of the electrode layer is more reliably formed and the performance of the electrode is further improved. Further, when the porosity of the electrode layer is 35% or less, the nanocomposite structure of the electrode is more reliably formed and the performance of the electrode can be further improved, which is further preferable.
  • the electrode layer having a plurality of layers. This is preferable because a plurality of roles that the electrode layer should have can be assigned in stages in each layer.
  • Another characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention includes an electrolyte layer, and the electrode layer includes a first layer and a second layer closer to the electrolyte layer than the first layer, The content rate of the large particles in the first layer is higher than the content rate of the large particles in the second layer.
  • the three-dimensional gas diffusion path of an electrode layer is more reliably formed in a 1st layer, and an electrode layer The overall performance can be further enhanced.
  • the electrochemical element may have a reaction preventing layer disposed between the electrode layer and the electrolyte layer. This is preferable because the reaction preventing layer can suppress the diffusion of the components of the electrode layer into the electrolyte layer, and the performance of the electrochemical device can be maintained high.
  • the electrochemical element may have a counter electrode layer disposed on the side opposite to the electrode layer with respect to the electrolyte layer. This is preferable because an electrochemical element having an electrode layer and a counter electrode layer can be formed, and thus can be easily applied to a fuel cell or the like.
  • the electrode layer may be an air electrode layer.
  • the air electrode layer has a three-dimensional gas diffusion path, and combines high oxide ion conductivity, high electron conductivity, and high catalytic activity for oxygen reduction reaction. Since it can be made, it is preferable.
  • the electrochemical element may have a current collecting layer having electronic conductivity on the surface of the electrode layer opposite to the electrolyte layer. This is preferable because a high-performance electrochemical element having a small current collecting resistance can be obtained.
  • the electrochemical element may be supported on a metal support. That is, an electrode layer, an electrolyte layer, a reaction preventing layer, a counter electrode layer, and the like included in the electrochemical element may be laminated on the metal support.
  • a metal support That is, an electrode layer, an electrolyte layer, a reaction preventing layer, a counter electrode layer, and the like included in the electrochemical element may be laminated on the metal support.
  • the characteristic configuration of the electrochemical module according to the present invention is that it is arranged in a state where a plurality of the aforementioned electrochemical elements are assembled.
  • the electrochemical module is excellent in strength and reliability while suppressing material cost and processing cost and being compact and high-performance. Can be obtained.
  • a characteristic configuration of an electrochemical device includes at least the above-described electrochemical module and a reformer, and a fuel supply unit that supplies a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module. In the point.
  • a characteristic configuration of the electrochemical device according to the present invention is that it includes at least the above-described electrochemical module and an inverter that extracts electric power from the electrochemical module.
  • the electrical output obtained from the electrochemical module excellent in durability, reliability and performance can be boosted by an inverter or converted from direct current to alternating current. It is preferable because the electric output obtained in the above can be easily used.
  • the characteristic configuration of the energy system according to the present invention is that it includes the above-described electrochemical device and an exhaust heat utilization unit that reuses the heat discharged from the electrochemical device.
  • the above characteristic configuration because it has an electrochemical device and a waste heat utilization part that reuses the heat exhausted from the electrochemical device, it is excellent in durability, reliability, and performance, and also in energy efficiency.
  • An energy system can be realized. It is also possible to realize a hybrid system with excellent energy efficiency in combination with a power generation system that generates power using the combustion heat of unused fuel gas discharged from an electrochemical device.
  • the characteristic configuration of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that it includes the above-described electrochemical element and generates a power generation reaction with the electrochemical element.
  • a solid oxide fuel cell having a high-performance electrode layer can be realized.
  • heat required for converting raw fuel into hydrogen in a fuel cell system using hydrocarbon gas such as city gas as raw fuel Since it is possible to construct a system that can cover the above with the exhaust heat of the fuel cell, the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved, which is more preferable.
  • the characteristic structure of the method for producing an electrochemical element for achieving the above object is that the electrode layer is fired at a temperature of 800 ° C. or higher and lower than 1100 ° C.
  • the electrode layer has a high performance having a three-dimensional gas diffusion path, whereby a high performance electrochemical device can be realized at a low cost. Further, it is more preferable that the electrode layer be fired at 1050 ° C. or lower because flow growth of particles constituting the electrode layer can be suppressed and a three-dimensional gas diffusion path can be easily formed.
  • the electrochemical element E is used, for example, as a component of a solid oxide fuel cell that generates electric power by receiving supply of a fuel gas containing hydrogen and air.
  • the second electrode layer 6 side is “upper” or “upper side”
  • the first electrode layer 2 side is “lower” or “lower side” as viewed from the electrolyte layer 4.
  • the surface of the metal substrate 1 on which the first electrode layer 2 is formed may be referred to as “front side”, and the opposite surface may be referred to as “back side”.
  • the electrochemical element E includes a metal substrate 1 (metal support), a first electrode layer 2 (counter electrode layer, fuel electrode layer) formed on the metal substrate 1, a first electrode It has an intermediate layer 3 formed on the electrode layer 2 and an electrolyte layer 4 formed on the intermediate layer 3.
  • the electrochemical element E further includes a reaction preventing layer 5 formed on the electrolyte layer 4 and a second electrode layer 6 (electrode layer, air electrode layer) formed on the reaction preventing layer 5. . That is, the second electrode layer 6 is formed on the electrolyte layer 4, and the reaction preventing layer 5 is formed between the electrolyte layer 4 and the second electrode layer 6.
  • the electrochemical element E has an electrolyte layer 4 and a reaction preventing layer 5 disposed between the electrolyte layer 4 and the second electrode layer 6.
  • the first electrode layer 2 is porous, and the electrolyte layer 4 is dense.
  • a current collecting layer having electronic conductivity may be disposed on the second electrode layer 6, that is, on the surface of the second electrode layer 6 opposite to the electrolyte layer 4.
  • a ceramic material having conductivity such as LSCF (Lanthanum Strontium Ferrite) or LSM (Lanthanum Strontium Manganite) can be used.
  • the metal substrate 1 serves as a support that supports the first electrode layer 2, the intermediate layer 3, the electrolyte layer 4, and the like and maintains the strength of the electrochemical element E.
  • a material excellent in electronic conductivity, heat resistance, oxidation resistance and corrosion resistance is used.
  • ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, nickel base alloy, or the like is used.
  • an alloy containing chromium is preferably used.
  • the plate-shaped metal substrate 1 is used as the metal support, but the metal support may have other shapes such as a box shape or a cylindrical shape.
  • the metal substrate 1 only needs to have sufficient strength to form an electrochemical element as a support, and is, for example, about 0.1 mm to 2 mm, preferably about 0.1 mm to 1 mm, more preferably about 0.1 mm. Those having a thickness of about 1 mm to 0.5 mm can be used.
  • the metal substrate 1 has a plurality of through holes 1a provided through the front surface and the back surface.
  • the through-hole 1a can be provided in the metal substrate 1 by mechanical, chemical or optical drilling.
  • the through hole 1a has a function of allowing gas to pass from the back surface of the metal substrate 1 to the front surface.
  • a porous metal can be used.
  • the metal substrate 1 can use a sintered metal, a foam metal, or the like.
  • a metal oxide layer 1 b as a diffusion suppression layer is provided on the surface of the metal substrate 1. That is, a diffusion suppression layer is formed between the metal substrate 1 and a first electrode layer 2 described later.
  • the metal oxide layer 1b is provided not only on the surface exposed to the outside of the metal substrate 1, but also on the contact surface (interface) with the first electrode layer 2 and the inner surface of the through hole 1a. By this metal oxide layer 1b, element interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed.
  • the metal oxide layer 1b is mainly chromium oxide.
  • the thickness of the metal oxide layer 1b may be a thickness that can achieve both high diffusion prevention performance and low electrical resistance.
  • the average thickness is more preferably about 0.3 ⁇ m or more and 0.7 ⁇ m or less.
  • the minimum thickness is more preferably about 0.1 ⁇ m or more.
  • the maximum thickness is preferably about 1.1 ⁇ m or less.
  • the metal oxide layer 1b can be formed by various methods, a method of oxidizing the surface of the metal substrate 1 to form a metal oxide is preferably used. Further, a metal oxide layer 1b is applied to the surface of the metal substrate 1 by a spray coating method (spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc. Method), PVD method such as sputtering method or PLD method, CVD method or the like, or plating and oxidation treatment. Further, the metal oxide layer 1b may include a spinel phase having high conductivity.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • GDC gadolinium doped ceria
  • the first electrode layer 2 can be provided in a thin layer state on a surface on the front side of the metal substrate 1 and larger than the region where the through hole 1 a is provided.
  • the thickness can be, for example, about 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m to 50 ⁇ m. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient electrode performance while reducing the amount of expensive electrode layer material used and reducing costs.
  • the entire region where the through hole 1 a is provided is covered with the first electrode layer 2. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal substrate 1 where the first electrode layer 2 is formed. In other words, all the through holes 1 a are provided facing the first electrode layer 2.
  • the material of the first electrode layer 2 for example, a composite material such as NiO—GDC, Ni—GDC, NiO—YSZ, Ni—YSZ, CuO—CeO 2 , Cu—CeO 2 can be used.
  • GDC, YSZ, and CeO 2 can be referred to as composite aggregates.
  • the first electrode layer 2 may be formed by a low temperature baking method (for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (a thermal spraying method or an aerosol deposition method, It is preferably formed by an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method or the like), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), a CVD method or the like.
  • a low temperature baking method for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range higher than 1100 ° C.
  • a spray coating method a thermal spraying method or an aerosol deposition method, It is preferably formed by an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold
  • a good first electrode layer 2 can be obtained without using firing in a high temperature range higher than 1100 ° C., for example. Therefore, it is preferable because the interdiffusion of elements between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1 and an electrochemical element having excellent durability can be realized. Furthermore, it is more preferable to use a low-temperature firing method because handling of raw materials becomes easy.
  • the first electrode layer 2 has a plurality of pores inside and on the surface in order to provide gas permeability. That is, the first electrode layer 2 is formed as a porous layer. For example, the first electrode layer 2 is formed so that the density thereof is 30% or more and less than 80%. As the size of the pores, a size suitable for a smooth reaction to proceed during the electrochemical reaction can be appropriately selected.
  • the fine density is the ratio of the material constituting the layer to the space, and can be expressed as (1-porosity), and is equivalent to the relative density.
  • the intermediate layer 3 can be formed in a thin layer on the first electrode layer 2 while covering the first electrode layer 2.
  • the thickness can be, for example, about 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably about 2 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably about 4 ⁇ m to 25 ⁇ m. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient performance while reducing the cost by reducing the amount of expensive intermediate layer material used.
  • Examples of the material of the intermediate layer 3 include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria). Ceria) or the like can be used. In particular, ceria-based ceramics are preferably used.
  • the intermediate layer 3 is formed by a low-temperature baking method (for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition). It is preferably formed by a method such as a method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method.
  • a low-temperature baking method for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range higher than 1100 ° C.
  • a spray coating method a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition. It is preferably formed by a method such as a method such as a powder
  • the intermediate layer 3 can be obtained without firing in a high temperature region higher than 1100 ° C., for example. Therefore, elemental interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed without damaging the metal substrate 1, and an electrochemical element E having excellent durability can be realized. Further, it is more preferable to use a low-temperature baking method because handling of raw materials becomes easy.
  • the intermediate layer 3 preferably has oxygen ion (oxide ion) conductivity. Further, it is more preferable to have mixed conductivity of oxygen ions (oxide ions) and electrons. The intermediate layer 3 having these properties is suitable for application to the electrochemical element E.
  • the electrolyte layer 4 is formed in a thin layer on the intermediate layer 3 while covering the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3. Moreover, it can also form in the state of a thin film whose thickness is 10 micrometers or less. Specifically, as shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 is provided over (over straddling) the intermediate layer 3 and the metal substrate 1. By comprising in this way and joining the electrolyte layer 4 to the metal substrate 1, the whole electrochemical element can be excellent in robustness.
  • the electrolyte layer 4 is provided in a region on the front side surface of the metal substrate 1 which is larger than the region in which the through hole 1 a is provided. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal substrate 1 where the electrolyte layer 4 is formed.
  • gas leakage from the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3 can be suppressed around the electrolyte layer 4.
  • gas is supplied from the back side of the metal substrate 1 to the first electrode layer 2 through the through hole 1a when the SOFC is operated.
  • gas leakage can be suppressed without providing another member such as a gasket.
  • the entire periphery of the first electrode layer 2 is covered with the electrolyte layer 4.
  • the electrolyte layer 4 is provided above the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3, and a gasket or the like is provided around the electrolyte layer 4. Also good.
  • Examples of the material of the electrolyte layer 4 include YSZ (yttria stabilized zirconia), SSZ (scandium stabilized zirconia), GDC (gadolinium doped ceria), YDC (yttrium doped ceria), SDC (samarium doped ceria).
  • LSGM sinrontium / magnesium-added lanthanum gallate
  • zirconia ceramics are preferably used.
  • the material of the electrolyte layer 4 is made of a material that can exhibit high electrolyte performance even in a high temperature range of about 650 ° C. or higher, such as YSZ.
  • a highly efficient SOFC system that uses heat generated in the SOFC cell stack for raw fuel gas reforming Can be built.
  • the electrolyte layer 4 is formed by a low temperature baking method (for example, a wet method using a baking process in a low temperature range in which a baking process is not performed in a high temperature range exceeding 1100 ° C.) or a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition). It is preferably formed by a method such as a method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method.
  • a low temperature baking method for example, a wet method using a baking process in a low temperature range in which a baking process is not performed in a high temperature range exceeding 1100 ° C.
  • a spray coating method a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition. It is preferably formed by a method such as a method such as a powder jet
  • the electrolyte layer 4 having a high density and a high gas barrier property can be obtained without firing in a high temperature region exceeding 1100 ° C., for example. Therefore, damage to the metal substrate 1 can be suppressed, elemental interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed, and an electrochemical element E excellent in performance and durability can be realized.
  • a low-temperature firing method or a spray coating method because a low-cost element can be realized.
  • it is more preferable to use a spray coating method because a dense electrolyte layer having a high gas tightness and gas barrier property can be easily obtained in a low temperature range.
  • Electrolyte layer 4 is densely configured to shield gas leakage of anode gas and cathode gas and to exhibit high ionic conductivity.
  • the density of the electrolyte layer 4 is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and further preferably 98% or more.
  • the density is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more.
  • the electrolyte layer 4 is configured in a plurality of layers, it is preferable that at least a part thereof includes a layer (dense electrolyte layer) having a density of 98% or more, and 99% It is more preferable that the above layer (dense electrolyte layer) is included.
  • the reaction preventing layer 5 can be formed on the electrolyte layer 4 in a thin layer state.
  • the thickness can be, for example, about 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably about 2 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably 3 ⁇ m to 15 ⁇ m. With such a thickness, it is possible to secure sufficient performance while reducing the cost by reducing the amount of expensive reaction preventing layer material used.
  • the material of the reaction preventing layer 5 As the material of the reaction preventing layer 5, a material that can prevent a reaction between the component of the electrolyte layer 4 and the component of the second electrode layer 6 is used. By introducing the reaction preventing layer 5 between the electrolyte layer 4 and the second electrode layer 6, the reaction between the constituent material of the second electrode layer 6 and the constituent material of the electrolyte layer 4 is effectively suppressed, and electrochemical The long-term stability of the performance of the element E can be improved.
  • a material containing Ce is used as the material of the reaction preventing layer 5.
  • a material containing at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y is preferably used as the material for the reaction preventing layer 5.
  • the formed reaction prevention layer 5 contains at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y, and the total content of these elements is 1.0 mass% or more and 10 mass% or less. Good.
  • reaction preventing layer 5 is formed by appropriately using a method that can be formed at a processing temperature of 1100 ° C. or less, damage to the metal substrate 1 is suppressed, and element interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 is suppressed. Can be suppressed, and an electrochemical element E excellent in performance and durability can be realized.
  • low-temperature firing methods for example, wet methods using a firing treatment in a low temperature range that does not perform a firing treatment in a high temperature range exceeding 1100 ° C.
  • spray coating methods thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder
  • a PVD method a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like
  • CVD method or the like
  • it is preferable to use a low-temperature firing method or a spray coating method because a low-cost element can be realized.
  • it is more preferable to use a low-temperature firing method because handling of raw materials becomes easy.
  • the second electrode layer 6 can be formed in a thin layer on the reaction preventing layer 5.
  • the thickness can be, for example, about 1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m to 50 ⁇ m. With such a thickness, it is possible to ensure sufficient electrode performance while reducing the cost by reducing the amount of expensive second electrode layer material used.
  • the second electrode layer 6 contains large particles and small particles.
  • the small particles have a particle size of 200 nm or less when contained in the second electrode layer 6.
  • the large particles have a particle size of 500 nm or more when contained in the second electrode layer 6.
  • the second electrode layer 6 has a porous and fine open pore structure, and has a high performance having a three-dimensional gas diffusion path.
  • the second electrode layer 6 is formed so as to have a porosity of 20% to 40%.
  • the large particles contained in the second electrode layer 6 may contain many long and thin particles. For example, it is preferable that many particles whose length in the longitudinal direction is twice or more than the length in the lateral direction are included. For example, it is preferable that many particles having an aspect ratio of 2 or more obtained by dividing the length in the longitudinal direction by the length in the short direction are contained. It is more preferable that such particles occupy 50% or more of the large particles.
  • the second electrode layer 6 may have a plurality of layers. These multiple layers may differ in the content of large particles.
  • the second electrode layer 6 includes a first layer and a second layer that is closer to the electrolyte layer 4 than the first layer, and the content of large particles in the first layer is large in the second layer. It is preferable that the content is larger than the particle content.
  • the porosity of the first layer is higher than that of the second layer. That is, the second layer is more dense than the first layer.
  • the content rate of a large particle is the weight ratio of the large particle with respect to the sum total of a large particle and a small particle.
  • the content of large particles in the first layer is 30 to 80% and the large particles in the second layer is 20 to 70%.
  • the plurality of layers included in the second electrode layer 6 is not limited to two, and may be three or more.
  • the second electrode layer 6 may be configured such that the content of large particles increases in order from the layer closer to the electrolyte layer 4 toward the further layer.
  • At least one of the small particles and the large particles is preferably at least one of a ceria-based oxide, a zirconia-based oxide, and a perovskite complex oxide.
  • the small particles are preferably ceria-based oxides.
  • the small particles are any one of GDC (gadolinium-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria).
  • the small particles may be zirconia-based oxides.
  • the small particles may be YSZ (yttria stabilized zirconia) or SSZ (scandium stabilized zirconia).
  • the small particles may be a mixture of the above-mentioned ceria-based oxide and zirconia-based oxide.
  • the large particles are preferably a perovskite complex oxide.
  • the second electrode layer 6 is preferably a perovskite oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co, and Fe.
  • the large particles may be LSCF or LSM.
  • the large particles may be (LaSr) (CoFe) O 4 .
  • the second electrode layer 6 composed of the above substances can function as an air electrode (cathode).
  • the current collecting layer can be formed on the second electrode layer 6 in a thin layer state. By forming the current collecting layer, a high performance electrochemical element having a small current collecting resistance can be obtained.
  • the formation of the second electrode layer 6 is appropriately performed using a method that can be formed at a processing temperature of 800 ° C. or higher and lower than 1100 ° C.
  • grain growth of the particles constituting the second electrode layer 6 can be suppressed, and metal It is preferable because damage to the substrate 1 can be suppressed, and in addition, elemental interdiffusion between the metal substrate 1 and the first electrode layer 2 can be suppressed, and an electrochemical element E excellent in performance and durability can be realized.
  • a low-temperature baking method for example, a wet method using a baking process in a low temperature range that does not perform a baking process in a high temperature range of 1100 ° C.
  • a spray coating method (a spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, A powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, or the like), a PVD method (a sputtering method, a pulse laser deposition method, or the like), a CVD method, or the like can be used as appropriate.
  • a low-temperature firing method or a spray coating method because a low-cost element can be realized.
  • it is more preferable to use a low-temperature firing method because handling of raw materials becomes easy.
  • the electrochemical element E can be used as a power generation cell of a solid oxide fuel cell.
  • a fuel gas containing hydrogen is supplied from the back surface of the metal substrate 1 to the first electrode layer 2 through the through-hole 1a, and air is supplied to the second electrode layer 6 that is the counter electrode of the first electrode layer 2. And operated at a temperature of 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • oxygen O 2 contained in air reacts with electrons e ⁇ in the second electrode layer 6 to generate oxygen ions O 2 ⁇ .
  • the oxygen ions O 2 ⁇ move through the electrolyte layer 4 to the first electrode layer 2.
  • the first electrode layer 2 hydrogen H 2 contained in the supplied fuel gas reacts with oxygen ions O 2 ⁇ to generate water H 2 O and electrons e ⁇ . Due to the above reaction, an electromotive force is generated between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 6.
  • the first electrode layer 2 functions as an SOFC fuel electrode (anode)
  • the second electrode layer 6 functions as an air electrode (cathode).
  • the first electrode layer 2 is formed as a thin film in a region wider than the region where the through hole 1a on the front side surface of the metal substrate 1 is provided.
  • the through hole of the metal substrate 1 can be provided by laser processing or the like.
  • the first electrode layer 2 is formed by a low-temperature baking method (wet method in which baking is performed in a low temperature region of 1100 ° C. or lower), a spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition).
  • a method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.
  • the first electrode layer forming step is performed by a low temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example.
  • the material powder of the 1st electrode layer 2 and a solvent (dispersion medium) are mixed, a material paste is created, and it applies to the surface of the metal substrate 1 at the front side.
  • the 1st electrode layer 2 is compression-molded (electrode layer smoothing process), and it bakes at 1100 degrees C or less (electrode layer baking process).
  • the compression molding of the first electrode layer 2 can be performed, for example, by CIP (Cold Isostatic Pressing) molding, roll pressing molding, RIP (Rubber Isostatic Pressing) molding, or the like.
  • the electrode layer is preferably fired at a temperature of 800 ° C.
  • the order of the electrode layer smoothing step and the electrode layer firing step can be interchanged.
  • the electrode layer smoothing step and the electrode layer firing step are omitted, or the electrode layer smoothing step and the electrode layer firing step are described later. It can also be included in the firing step.
  • the electrode layer smoothing step may be performed by lapping, leveling, surface cutting / polishing, or the like.
  • the metal oxide layer 1b (diffusion suppression layer) is formed on the surface of the metal substrate 1.
  • the firing step includes a firing step in which the firing atmosphere is an atmospheric condition with a low oxygen partial pressure, a high-quality metal oxide layer 1b (diffusion restraint) that has a high element interdiffusion suppression effect and a low resistance value. Layer) is preferable.
  • a separate diffusion suppression layer forming step may be included, including the case where the first electrode layer forming step is a coating method in which baking is not performed. In any case, it is desirable to carry out at a processing temperature of 1100 ° C. or less that can suppress damage to the metal substrate 1.
  • the metal oxide layer 1b (diffusion suppression layer) may be formed on the surface of the metal substrate 1 during the firing step in the intermediate layer forming step described later.
  • the intermediate layer 3 is formed in a thin layer on the first electrode layer 2 so as to cover the first electrode layer 2.
  • the intermediate layer 3 is formed by a low-temperature baking method (wet method in which baking is performed in a low temperature region of 1100 ° C. or lower), a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, A method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.
  • the intermediate layer forming step is performed by a low-temperature firing method, specifically, it is performed as in the following example.
  • the material powder of the intermediate layer 3 and a solvent (dispersion medium) are mixed to prepare a material paste, which is applied to the front surface of the metal substrate 1.
  • the intermediate layer 3 is compression-molded (intermediate layer smoothing step) and fired at 1100 ° C. or less (intermediate layer firing step).
  • the intermediate layer 3 can be rolled by, for example, CIP (Cold Isostatic Pressing) molding, roll pressing molding, RIP (Rubber Isostatic Pressing) molding, or the like.
  • the intermediate layer is preferably fired at a temperature of 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
  • the intermediate layer 3 having a high strength can be formed while suppressing damage and deterioration of the metal substrate 1 at such a temperature. Moreover, it is more preferable when baking of the intermediate
  • the intermediate layer smoothing step may be performed by lapping, leveling, surface cutting / polishing, or the like.
  • the electrolyte layer 4 is formed in a thin layer on the intermediate layer 3 while covering the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3. Moreover, you may form in the state of a thin film whose thickness is 10 micrometers or less. As described above, the electrolyte layer 4 is formed by a low temperature baking method (wet method in which baking is performed in a low temperature region of 1100 ° C.
  • a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, A method such as a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, or a cold spray method), a PVD method (such as a sputtering method or a pulse laser deposition method), or a CVD method can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.
  • the electrolyte layer forming step In order to form a high-quality electrolyte layer 4 that is dense, airtight and has high gas barrier performance in a temperature range of 1100 ° C. or lower, it is desirable to perform the electrolyte layer forming step by a spray coating method. In that case, the material of the electrolyte layer 4 is sprayed toward the intermediate layer 3 on the metal substrate 1 to form the electrolyte layer 4.
  • reaction prevention layer formation step the reaction preventing layer 5 is formed on the electrolyte layer 4 in a thin layer state.
  • the reaction preventing layer 5 is formed by a low-temperature baking method, a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method). Etc.), PVD method (sputtering method, pulsed laser deposition method, etc.), CVD method and the like can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of 1100 ° C. or lower in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.
  • a leveling process or a surface cutting / polishing process may be performed after the formation of the reaction preventing layer 5, or a press working may be performed after the wet formation and before firing. Good.
  • the second electrode layer 6 is formed in a thin layer on the reaction preventing layer 5.
  • the second electrode layer 6 is formed by a low temperature baking method, a spray coating method (a spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method). And other methods), PVD methods (sputtering methods, pulsed laser deposition methods, etc.), CVD methods, and the like can be used. Regardless of which method is used, it is desirable to carry out at a temperature of less than 1100 ° C. in order to suppress deterioration of the metal substrate 1 and grain growth of the constituent particles.
  • a plurality of layers having different forms and properties can be formed by changing the materials used and the conditions for forming the layers. For example, when two layers having different large particle contents are formed by screen printing, the following process is performed. First, a second layer (a layer close to the electrolyte layer 4) is formed by screen printing. Next, the first layer is formed by screen printing using a paste having a large content of a large particle material (for example, LSCF). Next, baking is performed to obtain the second electrode layer 6.
  • the current collecting layer is formed on the second electrode layer 6 in a thin layer state.
  • the current collecting layer is formed by a low-temperature firing method, a spray coating method (spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc. Method), PVD method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), CVD method and the like can be used. Whichever method is used, it is desirable that the temperature be lower than 1100 ° C. in order to suppress the deterioration of the metal substrate 1.
  • the electrochemical element E can be manufactured as described above.
  • the intermediate layer 3 and the reaction preventing layer 5 may be configured so as not to include either one or both. That is, a form in which the first electrode layer 2 and the electrolyte layer 4 are formed in contact with each other, or a form in which the electrolyte layer 4 and the second electrode layer 6 are formed in contact with each other is possible.
  • the intermediate layer forming step and the reaction preventing layer forming step are omitted. Note that a step of forming another layer can be added, or a plurality of layers of the same type can be stacked. In any case, it is preferable to perform the step at a temperature of 1100 ° C. or lower.
  • a metal substrate 1 was manufactured by providing a plurality of through holes 1a by laser processing in a central region of a metal plate having a thickness of 0.3 mm and a craft 22APU.
  • the first electrode layer 2 was laminated in a region having a radius of 3 mm from the center of the metal substrate 1. Note that screen printing was used to form the first electrode layer 2. And the baking process was performed at 950 degreeC with respect to the metal substrate 1 which laminated
  • the intermediate layer 3 was laminated in a region having a radius of 5 mm from the center of the metal substrate 1 on which the first electrode layer 2 was laminated by screen printing.
  • the intermediate layer 3 having a flat surface was formed by performing a baking process at 1000 ° C. (intermediate layer forming step).
  • the thickness of the first electrode layer 2 obtained by the above steps was about 15 ⁇ m, and the thickness of the intermediate layer 3 was about 15 ⁇ m.
  • the metal substrate 1 on which the first electrode layer 2 and the intermediate layer 3 are laminated is a substrate with an electrode layer having gas flowability.
  • an 8YSZ (yttria stabilized zirconia) component having a mode diameter of about 0.7 ⁇ m is placed on the intermediate layer 3 of the metal substrate 1 so as to cover the intermediate layer 3, and a scanning speed of 5 mm / second in a range of 15 mm ⁇ 15 mm.
  • the substrate was moved while spraying to form the electrolyte layer 4 (spray coating). At that time, the metal substrate 1 was not heated (electrolyte layer forming step).
  • the thickness of the electrolyte layer 4 obtained by the above steps was about 9 to 10 ⁇ m.
  • the amount of He leak of the metal substrate 1 in the state where the first electrode layer 2, the intermediate layer 3, and the electrolyte layer 4 are laminated is measured under a pressure of 0.2 MPa, the amount of He leak is a detection lower limit (1. 0 mL / min ⁇ cm 2 ). Therefore, it can be seen that the formed electrolyte layer 4 has gas barrier properties.
  • the reaction preventing layer 5 was formed on the electrolyte layer 4 of the electrochemical element E by screen printing using the paste.
  • reaction preventing layer 5 The electrochemical device E on which the reaction preventing layer 5 was formed was subjected to CIP molding and then subjected to a baking treatment at 1000 ° C. for 1 hour to form the reaction preventing layer 5 having a flat surface (reaction preventing layer). Forming step).
  • GDC powder having a median particle size of 0.15 ⁇ m and LSCF powder having a median particle size of 0.64 ⁇ m are mixed at a weight ratio of 3: 7, and an organic binder and an organic solvent (dispersion medium) are mixed.
  • a paste was prepared. Using the paste, the second electrode layer 6 was formed on the reaction preventing layer 5 by screen printing. Finally, the electrochemical element E on which the second electrode layer 6 was formed was baked at 900 ° C. (second electrode layer forming step) to obtain the electrochemical element E.
  • the electron micrograph of the cross section of this electrochemical element E is shown in FIG. 5 and FIG.
  • the second electrode layer 6 is formed to be porous. From the electron micrograph of FIG. 5, the porosity of the second electrode layer 6 is recognized to be 26%.
  • the presence of particles having a particle size of 500 nm or more (A51 to A54) and the presence of many particles having a particle size of 200 nm or less are observed.
  • the presence of particles (A61) having a particle size of 500 nm or more and the presence of a large number of particles having a particle size of 200 nm or less are observed. Therefore, it can be seen from the electron micrographs of FIGS. 5 and 6 that the second electrode layer 6 contains small particles having a particle size of 200 nm or less and large particles having a particle size of 500 nm or more.
  • FIG. 7 is an electron micrograph of another field of view of the same sample.
  • 8 and 9 are EPMA element mapping diagrams in the same field of view as FIG.
  • FIG. 8 shows the distribution of Fe. Since Fe is a constituent element of LSCF, the site shown in dark color in FIG. 8 corresponds to particles derived from LSCF powder.
  • FIG. 9 shows the distribution of Ce. Since Ce is a constituent element of GDC, the site shown in dark color in FIG. 9 corresponds to particles derived from GDC powder.
  • A71 and A72 shown in the electron micrograph of FIG. 7 are particles (large particles) having a particle size of 500 nm or more.
  • the portions (A81 and A82) corresponding to A71 and A72 are dark, and Fe is distributed in the portions.
  • the portions corresponding to A71 and A72 are not dark and Ce is not distributed in the portions. Therefore, it can be seen that the large particles A71 and A72 are particles derived from the LSCF powder.
  • the electrochemical element E has a U-shaped member 7 attached to the back surface of the metal substrate 1, and a cylindrical support is formed by the metal substrate 1 and the U-shaped member 7. is doing.
  • a plurality of electrochemical elements E are stacked with the current collecting member 26 interposed therebetween, so that an electrochemical module M is configured.
  • the current collecting member 26 is joined to the second electrode layer 6 of the electrochemical element E and the U-shaped member 7 to electrically connect them.
  • the electrochemical module M has a gas manifold 17, a current collecting member 26, a termination member, and a current drawing portion.
  • a plurality of stacked electrochemical elements E are supplied with gas from the gas manifold 17 with one open end of the cylindrical support connected to the gas manifold 17. The supplied gas flows through the inside of the cylindrical support and is supplied to the first electrode layer 2 through the through hole 1 a of the metal substrate 1.
  • FIG. 3 shows an outline of the energy system Z and the electrochemical device Y.
  • the energy system Z includes an electrochemical device Y and a heat exchanger 53 as an exhaust heat utilization unit that reuses the heat discharged from the electrochemical device Y.
  • the electrochemical device Y includes an electrochemical module M, a desulfurizer 31 and a reformer 34, a fuel supply unit that supplies a fuel gas containing a reducing component to the electrochemical module M, and an electrochemical module. And an inverter 38 for extracting electric power from M.
  • the electrochemical device Y includes a desulfurizer 31, a reforming water tank 32, a vaporizer 33, a reformer 34, a blower 35, a combustion unit 36, an inverter 38, a control unit 39, a storage container 40, and an electrochemical module M.
  • a desulfurizer 31 a reforming water tank 32, a vaporizer 33, a reformer 34, a blower 35, a combustion unit 36, an inverter 38, a control unit 39, a storage container 40, and an electrochemical module M.
  • the desulfurizer 31 removes (desulfurizes) sulfur compound components contained in hydrocarbon-based raw fuel such as city gas.
  • hydrocarbon-based raw fuel such as city gas.
  • the vaporizer 33 generates steam from the reformed water supplied from the reformed water tank 32.
  • the reformer 34 steam-reforms the raw fuel desulfurized by the desulfurizer 31 using the steam generated by the vaporizer 33 to generate a reformed gas containing hydrogen.
  • the electrochemical module M uses the reformed gas supplied from the reformer 34 and the air supplied from the blower 35 to generate an electrochemical reaction to generate power.
  • the combustion unit 36 mixes the reaction exhaust gas discharged from the electrochemical module M and air, and combusts the combustible component in the reaction exhaust gas.
  • the electrochemical module M has a plurality of electrochemical elements E and a gas manifold 17.
  • the plurality of electrochemical elements E are arranged in parallel while being electrically connected to each other, and one end (lower end) of the electrochemical element E is fixed to the gas manifold 17.
  • the electrochemical element E generates electricity by causing an electrochemical reaction between the reformed gas supplied through the gas manifold 17 and the air supplied from the blower 35.
  • the inverter 38 adjusts the output power of the electrochemical module M to the same voltage and the same frequency as the power received from the commercial system (not shown).
  • the control unit 39 controls the operation of the electrochemical device Y and the energy system Z.
  • the vaporizer 33, the reformer 34, the electrochemical module M, and the combustion unit 36 are stored in the storage container 40.
  • the reformer 34 performs the reforming process of the raw fuel using the combustion heat generated by the combustion of the reaction exhaust gas in the combustion unit 36.
  • the raw fuel is supplied to the desulfurizer 31 through the raw fuel supply path 42 by the operation of the booster pump 41.
  • the reforming water in the reforming water tank 32 is supplied to the vaporizer 33 through the reforming water supply path 44 by the operation of the reforming water pump 43.
  • the raw fuel supply path 42 is downstream of the desulfurizer 31 and is joined to the reformed water supply path 44, and the reformed water and raw fuel merged outside the storage container 40 are stored in the storage container.
  • the carburetor 33 provided in 40 is supplied.
  • the reformed water is vaporized by the vaporizer 33 and becomes steam.
  • the raw fuel containing the steam generated in the vaporizer 33 is supplied to the reformer 34 through the steam-containing raw fuel supply path 45.
  • the raw fuel is steam-reformed by the reformer 34, and a reformed gas (first gas having a reducing component) containing hydrogen gas as a main component is generated.
  • the reformed gas generated in the reformer 34 is supplied to the gas manifold 17 of the electrochemical module M through the reformed gas supply path 46.
  • the reformed gas supplied to the gas manifold 17 is distributed to the plurality of electrochemical elements E, and is supplied to the electrochemical elements E from the lower end that is a connecting portion between the electrochemical elements E and the gas manifold 17.
  • Hydrogen (reducing component) in the reformed gas is mainly used for electrochemical reaction in the electrochemical element E.
  • the reaction exhaust gas containing the remaining hydrogen gas that has not been used for the reaction is discharged from the upper end of the electrochemical element E to the combustion section 36.
  • the reaction exhaust gas is combusted in the combustion part 36 and is discharged as combustion exhaust gas from the combustion exhaust gas outlet 50 to the outside of the storage container 40.
  • a combustion catalyst portion 51 (for example, a platinum-based catalyst) is disposed at the combustion exhaust gas outlet 50 to burn and remove reducing components such as carbon monoxide and hydrogen contained in the combustion exhaust gas.
  • the combustion exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas outlet 50 is sent to the heat exchanger 53 through the combustion exhaust gas discharge passage 52.
  • the heat exchanger 53 exchanges heat between the flue gas generated by the combustion in the combustion unit 36 and the supplied cold water to generate hot water. That is, the heat exchanger 53 operates as an exhaust heat utilization unit that reuses the heat exhausted from the electrochemical device Y.
  • reaction exhaust gas utilization part which utilizes the reaction exhaust gas discharged
  • the reaction exhaust gas contains residual hydrogen gas that was not used for the reaction in the electrochemical element E.
  • the remaining hydrogen gas is used to use heat by combustion, or to generate power by a fuel cell or the like, thereby effectively using energy.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the electrochemical module M.
  • the electrochemical module M according to this embodiment constitutes the electrochemical module M by laminating the above-described electrochemical element E with the inter-cell connecting member 71 interposed therebetween.
  • the inter-cell connection member 71 is a plate-like member that has conductivity and does not have gas permeability, and grooves 72 that are orthogonal to each other are formed on the front surface and the back surface.
  • the inter-cell connection member 71 can be made of metal such as stainless steel or metal oxide.
  • one groove 72 becomes the first gas flow path 72 a and supplies gas to the front side of the electrochemical element E, that is, the second electrode layer 6.
  • the other groove 72 becomes the second gas flow path 72b, and gas is supplied from the back side of the electrochemical element E, that is, the back side surface of the metal substrate 1 to the first electrode layer 2 through the through hole 1a.
  • this electrochemical module M When operating this electrochemical module M as a fuel cell, oxygen is supplied to the first gas channel 72a and hydrogen is supplied to the second gas channel 72b. Then, the reaction as a fuel cell proceeds in the electrochemical element E, and electromotive force / current is generated. The generated electric power is taken out of the electrochemical module M from the inter-cell connection members 71 at both ends of the stacked electrochemical element E.
  • the grooves 72 that are orthogonal to each other are formed on the front and back surfaces of the inter-cell connection member 71, but the grooves 72 that are parallel to each other can also be formed on the front and back surfaces of the inter-cell connection member 71. .
  • the electrochemical element E is used for a solid oxide fuel cell.
  • the electrochemical element E is used for a solid oxide electrolytic cell, an oxygen sensor using a solid oxide, or the like. You can also
  • the metal substrate 1 is used for a metal-supported solid oxide fuel cell using the metal substrate 1 as a support.
  • the first electrode layer 2 or the second electrode layer 6 is used as a support. It can also be used for an electrode-supported solid oxide fuel cell and an electrolyte-supported solid oxide fuel cell using the electrolyte layer 4 as a support. In those cases, the first electrode layer 2 or the second electrode layer 6 or the electrolyte layer 4 can be made to have a necessary thickness so that a function as a support can be obtained.
  • a composite material such as NiO—GDC, Ni—GDC, NiO—YSZ, Ni—YSZ, CuO—CeO 2 , Cu—CeO 2 is used as the material of the first electrode layer 2.
  • a complex oxide such as LSCF or LSM was used as the material of the second electrode layer 6, for example.
  • the electrochemical device E configured as described above supplies hydrogen gas to the first electrode layer 2 as a fuel electrode (anode), and supplies air to the second electrode layer 6 as an air electrode (cathode). It can be used as an oxide fuel cell.
  • the electrochemical element E can be configured such that the first electrode layer 2 can be an air electrode and the second electrode layer 6 can be a fuel electrode.
  • a composite oxide such as LSCF or LSM is used as the material of the first electrode layer 2, and NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO—CeO is used as the material of the second electrode layer 6, for example. 2.
  • a composite material such as Cu—CeO 2 is used.
  • the electrochemical element E configured as described above, air is supplied to the first electrode layer 2 to form an air electrode, hydrogen gas is supplied to the second electrode layer 6 to form a fuel electrode, and the electrochemical element E is solid. It can be used as an oxide fuel cell.
  • Electrode layer 1 Metal substrate (metal support) 1a: Through-hole 2: Electrode layer 3: Intermediate layer 4: First electrolyte layer (counter electrode layer, fuel electrode layer) 4a: Electrolyte layer upper side surface 5: Reaction preventing layer 6: Second electrode layer (electrode layer, air electrode layer) B: Substrate with electrode layer E: Electrochemical element M: Electrochemical module Y: Electrochemical apparatus Z: Energy system

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

高性能な電極層を有し、かつ、低コストな電気化学素子を提供する。電極層を有する電気化学素子であって、電極層が小粒子と大粒子とを含有し、小粒子の電極層における粒径が２００ｎｍ以下であり、大粒子の電極層における粒径が５００ｎｍ以上である。

Description

電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法
　本発明は、電極層を有する電気化学素子などに関する。
　近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池が開発されている。燃料電池は、電解質層を燃料極と空気極とで挟んだ構造を有している。燃料電池は、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素含有ガスを流し、１０００～１０５０℃に加温することによって発電する（特許文献１）。燃料電池の空気極反応は、酸化物イオン導電性を有する相と、電子伝導性を有する相と、ガスの拡散パスとなる気相との三相界面で主に進行することが知られている。そのため、反応場となる三相界面長さの長い、高性能な空気極を作製する試みが為されてきた。
特開２０１６－２２５０３６号公報 特開２０１２－２２１９４６号公報
　従来は、空気極を、１１００℃から１２００℃の高温域で焼成して作製していたが（特許文献１）、従来法では、高温域での焼成によって粒成長してしまうため、微粒子の複合電極とすることができず、十分な三相界面長を有する、高性能な電極が得られなかった。そこで、空気極を蒸着で作製することにより、ナノ複合電極を作製する手法も考案されているが（特許文献２）、蒸着で作製すると、柱状構造になって三次元的なガスの拡散パスが得られにくく、電極性能は不十分であった。また、蒸着は真空下でのバッチプロセスとなり、製造コストがかかるという課題もあった。
　本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高性能な電極層を有し、かつ、低コストな電気化学素子を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための電気化学素子の特徴構成は、
　電極層を有する電気化学素子であって、
　前記電極層が小粒子と大粒子とを含有し、
　前記小粒子の前記電極層における粒径が２００ｎｍ以下であり、
　前記大粒子の前記電極層における粒径が５００ｎｍ以上である点にある。
　上記の特徴構成によれば、電極層が、三次元的なガスの拡散パスを有する高性能なものとなり、これによって高性能な電気化学素子を低コストで実現することができる。
　また、小粒子の粒径が２００ｎｍ以下であれば、電極層が、三次元的なガスの拡散パスをより確かに有する、高性能な電極層とすることができるため、好ましい。
　加えて、大粒子の粒径が５００ｎｍ以上であれば、電極層が、三次元的なガスの拡散パスをより確かに有する、高性能な電極層とすることができるため、好ましい。
　
　本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、前記小粒子と前記大粒子が、それぞれ別の材料からなる点にある。
　上記の特徴構成によれば、例えば、前記小粒子と前記大粒子との、いずれか一方をイオン導電性を有する物質、他方を電子伝導性を有する物質とすることで、三相界面長の長い、高性能な電極層とすることができる。
　前記小粒子および前記大粒子の少なくともいずれか一方がセリア系酸化物であると、前記電極層が、高い酸化物イオン導電性をもつ相を有する、高性能な電極層となるため、好適である。
　前記小粒子および前記大粒子の少なくともいずれか一方がジルコニア系酸化物であると、前記電極層が、高い酸化物イオン導電性をもつ相を有する、高性能な電極層となるため、好適である。
　前記小粒子および前記大粒子の少なくともいずれか一方がペロブスカイト型複合酸化物であると、前記電極層が、高い電子伝導性と、酸素還元反応に対する高い触媒活性とを併せもつ相を有する、高性能な電極層となるため、好適である。
　前記大粒子がペロブスカイト型複合酸化物であると、比較的焼結性の良いぺロブスカイト型酸化物が骨材となる事で、三相界面長の長い、高性能な電極層とすることができ、好ましい。
　前記電極層に含有される前記大粒子のうち、５割以上の大粒子が、長手方向の長さを短手方向の長さで除したアスペクト比が２以上であると、電極層の三次元的なガスの拡散パスがより確実に形成され、電極層の性能を更に高めることができる。
　なお、望ましくはアスペクト比が２以上の粒子の割合が６割以上、更に望ましくは７割以上であると、更に確実に三次元的なガスの拡散パスが形成され、より好適である。
　加えて、アスペクト比が２．５以上であると、更に確実に三次元的なガスの拡散パスが形成され、より好適である。
　前記電極層の気孔率が２０％以上４０％以下であると、十分な三相界面長を有する電極層がより確実に形成され、電極層の性能を更に高めることができる。なお、前記電極層の気孔率が２５％以上であると、電極層の三次元的なガスの拡散パスがより確実に形成され、電極の性能をより高められるため、更に好適である。また、前記電極層の気孔率が３５％以下であると、電極のナノ複合構造がより確実に形成され、電極の性能をより高められるため、更に好適である。
　前記電極層を、複数の層を有して構成することも可能である。このようにすると、前記電極層が有すべき複数の役割をそれぞれの層で段階的に割り振ることができるようになるので好ましい。
　本発明に係る電気化学素子の別の特徴構成は、電解質層を有し、前記電極層は、第１層と、前記第１層よりも前記電解質層に近い第２層とを有し、前記第１層における前記大粒子の含有率は、前記第２層における前記大粒子の含有率よりも大きい点にある。
　上記の特徴構成によれば、第１層の大粒子の含有率が第２層より大きいことにより、電極層の三次元的なガスの拡散パスがより第１層において確実に形成され、電極層全体としての性能を更に高めることができる。
　電気化学素子は、前記電極層と前記電解質層との間に配置された反応防止層を有していてもよい。このようにすると、電極層の成分が電解質層へ拡散するのを反応防止層において抑制でき、電気化学素子の性能を高く維持できるようになるので好ましい。
　電気化学素子は、前記電解質層に対して前記電極層と反対側に配置された対極電極層を有していてもよい。このようにすると、電極層と対極電極層を有する電気化学素子を形成できるから、燃料電池などに適用しやすくなるので好ましい。
　前記電極層が空気極層であってもよい。このようにすると、空気極層を、三次元的なガスの拡散パスを有し、かつ、高い酸化物イオン導電性と高い電子伝導性と、酸素還元反応に対する高い触媒活性とを併せもつ高性能なものとすることができるので好ましい。
　電気化学素子は、前記電極層の前記電解質層とは逆の面に、電子導電性を有する集電層を有していてもよい。このようにすると、集電抵抗の小さい、高性能な電気化学素子とすることができるので好ましい。
　電気化学素子は金属支持体に支持されていてもよい。すなわち、電気化学素子が有する電極層、電解質層、反応防止層、対極電極層などが金属支持体の上に積層されていてもよい。このようにすると、安価で堅牢な金属支持体により電気化学素子を支持することができるため、高価なセラミック材料の使用量を低減できると共に、強度が高く信頼性・耐久性に優れた電気化学素子を得ることができる。さらに加工性にも優れるため、製造コストの低減も可能となる。
　本発明に係る電気化学モジュールの特徴構成は、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置される点にある。
　上記の特徴構成によれば、上述の電気化学素子が複数集合した状態で配置されるので、材料コストと加工コストを抑制しつつ、コンパクトで高性能な、強度と信頼性に優れた電気化学モジュールを得ることができる。
　本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと改質器とを少なくとも有し、前記電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部を有する点にある。
　上記の特徴構成によれば、電気化学モジュールと改質器を有し電気化学モジュールに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部を有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用いる、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールを備えた電気化学装置を実現することができる。また、電気化学モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な電気化学装置を実現することができる。
　本発明に係る電気化学装置の特徴構成は、上述の電気化学モジュールと、前記電気化学モジュールから電力を取り出すインバータとを少なくとも有する点にある。
　上記の特徴構成によれば、耐久性・信頼性および性能に優れた電気化学モジュールから得られる電気出力を、インバータによって昇圧したり、直流を交流に変換したりすることができるため、電気化学モジュールで得られる電気出力を利用しやすくなるので好ましい。
　本発明に係るエネルギーシステムの特徴構成は、上述の電気化学装置と、前記電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有する点にある。
　上記の特徴構成によれば、電気化学装置と、電気化学装置から排出される熱を再利用する排熱利用部を有するので、耐久性・信頼性および性能に優れ、かつエネルギー効率にも優れたエネルギーシステムを実現することができる。なお、電気化学装置から排出される未利用の燃料ガスの燃焼熱を利用して発電する発電システムと組み合わせてエネルギー効率に優れたハイブリットシステムを実現することもできる。
　本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、上述の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる点にある。
　上記の特徴構成によれば、高性能な電極層を備えた固体酸化物形燃料電池を実現できる。なお、定格運転時に６５０℃以上の温度域で運転可能とされると、都市ガス等の炭化水素系ガスを原燃料とする燃料電池システムにおいて、原燃料を水素に変換する際に必要となる熱を燃料電池の排熱で賄うことが可能なシステムを構築できるため、燃料電池システムの発電効率を高めることができるので、より好ましい。また、定格運転時に９００℃以下の温度域で運転されると金属支持体を用いる場合に、支持体の損傷を抑制できるので好ましい。更に、定格運転時に８５０℃以下の温度域で運転されると、支持体の損傷を更に抑制できるのでより好ましい。
　上記目的を達成するための電気化学素子の製造方法の特徴構成は、前記電極層の焼成が８００℃以上１１００℃未満の温度で行われる点にある。
　上記の特徴構成によれば、電極層が、三次元的なガスの拡散パスを有する高性能なものとなり、これによって高性能な電気化学素子を低コストで実現することができる。
　また、前記電極層の焼成が、１０５０℃以下で行われると、電極層を構成する粒子の流成長を抑えられ、三次元的なガスの拡散パスをより形成しやすくなるため、より好ましい。
電気化学素子の構成を示す概略図 電気化学素子および電気化学モジュールの構成を示す概略図 電気化学装置およびエネルギーシステムの構成を示す概略図 電気化学モジュールの構成を示す概略図 電気化学素子の断面の電子顕微鏡写真 電気化学素子の断面の電子顕微鏡写真 電気化学素子の断面の電子顕微鏡写真 電気化学素子の断面のＥＰＭＡ図 電気化学素子の断面のＥＰＭＡ図
＜第１実施形態＞
　以下、図１を参照しながら、本実施形態に係る電気化学素子Ｅおよび固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）について説明する。電気化学素子Ｅは、例えば、水素を含む燃料ガスと空気の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池の構成要素として用いられる。なお以下、層の位置関係などを表す際、例えば電解質層４から見て第２電極層６の側を「上」または「上側」、第１電極層２の側を「下」または「下側」という場合がある。また、金属基板１における第１電極層２が形成されている側の面を「表側」、反対側の面を「裏側」という場合がある。
（電気化学素子）
　電気化学素子Ｅは、図１に示される通り、金属基板１（金属支持体）と、金属基板１の上に形成された第１電極層２（対極電極層、燃料極層）と、第１電極層２の上に形成された中間層３と、中間層３の上に形成された電解質層４とを有する。そして電気化学素子Ｅは、更に、電解質層４の上に形成された反応防止層５と、反応防止層５の上に形成された第２電極層６（電極層、空気極層）とを有する。つまり第２電極層６は電解質層４の上に形成され、反応防止層５は電解質層４と第２電極層６との間に形成されている。本実施形態に係る電気化学素子Ｅは、電解質層４と、電解質層４と第２電極層６との間に配置された反応防止層５とを有する。第１電極層２は多孔質であり、電解質層４は緻密である。第２電極層６の上、すなわち第２電極層６の電解質層４とは逆の面に、電子導電性を有する集電層が配置されてもよい。集電層の材料は例えば、ＬＳＣＦ（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ Ｆｅｒｒｉｔｅ）、ＬＳＭ（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｍａｎｇａｎｉｔｅ）等の導電性を有するセラミックス材料を用いることができる。
（金属基板）
　金属基板１は、第１電極層２、中間層３および電解質層４等を支持して電気化学素子Ｅの強度を保つ、支持体としての役割を担う。金属基板１の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。なお本実施形態では、金属支持体として板状の金属基板１が用いられるが、金属支持体としては他の形状、例えば箱状、円筒状などの形状も可能である。
　なお、金属基板１は、支持体として電気化学素子を形成するのに充分な強度を有すれば良く、例えば、０．１ｍｍ～２ｍｍ程度、好ましくは０．１ｍｍ～１ｍｍ程度、より好ましくは０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度の厚みのものを用いることができる。
　金属基板１は、表側の面と裏側の面とを貫通して設けられる複数の貫通孔１ａを有する。なお、例えば、貫通孔１ａは、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、金属基板１に設けることができる。貫通孔１ａは、金属基板１の裏側の面から表側の面へ気体を透過させる機能を有する。金属基板１に気体透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。例えば、金属基板１は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。
　金属基板１の表面に、拡散抑制層としての金属酸化物層１ｂが設けられる。すなわち、金属基板１と後述する第１電極層２との間に、拡散抑制層が形成されている。金属酸化物層１ｂは、金属基板１の外部に露出した面だけでなく、第１電極層２との接触面（界面）および貫通孔１ａの内側の面にも設けられる。この金属酸化物層１ｂにより、金属基板１と第１電極層２との間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属基板１としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層１ｂが主にクロム酸化物となる。そして、金属基板１のクロム原子等が第１電極層２や電解質層４へ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層１ｂが抑制する。金属酸化物層１ｂの厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。例えばサブミクロンオーダーであることが好ましく、具体的には、平均的な厚さが０．３μｍ以上０．７μｍ以下程度であることがより好ましい。また、最小厚さは約０．１μｍ以上であることがより好ましい。
　また、最大厚さが約１．１μｍ以下であることが好ましい。
　金属酸化物層１ｂは種々の手法により形成されうるが、金属基板１の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属基板１の表面に、金属酸化物層１ｂをスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、スパッタリング法やＰＬＤ法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層１ｂは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。
　金属基板１としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、第１電極層２や電解質層４の材料として用いられるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア、ＣＧＯとも呼ぶ）等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も電気化学素子Ｅがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。
（第１電極層）
　第１電極層２は、図１に示すように、金属基板１の表側の面であって貫通孔１ａが設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通孔１ａが設けられた領域の全体が、第１電極層２に覆われている。つまり、貫通孔１ａは金属基板１における第１電極層２が形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔１ａが第１電極層２に面して設けられている。
　第１電極層２の材料としては、例えばＮｉＯ－ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＹＳＺ、ＣｕＯ－ＣｅＯ2、Ｃｕ－ＣｅＯ2などの複合材を用いることができる。これらの例では、ＧＤＣ、ＹＳＺ、ＣｅＯ2を複合材の骨材と呼ぶことができる。なお、第１電極層２は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好な第１電極層２が得られる。そのため、金属基板１を傷めることなく、また、金属基板１と第１電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
　第１電極層２は、気体透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔を有する。
　すなわち第１電極層２は、多孔質な層として形成される。第１電極層２は、例えば、その緻密度が３０％以上８０％未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、（１－空孔率）と表すことができ、また、相対密度と同等である。
（中間層）
　中間層３は、図１に示すように、第１電極層２を覆った状態で、第１電極層２の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは４μｍ～２５μｍ程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層３の材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
　中間層３は、低温焼成法（例えば１１００℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層３が得られる。そのため、金属基板１を傷めることなく、金属基板１と第１電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。
　また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
　中間層３としては、酸素イオン（酸化物イオン）伝導性を有することが好ましい。また、酸素イオン（酸化物イオン）と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層３は、電気化学素子Ｅへの適用に適している。
（電解質層）
　電解質層４は、図１に示すように、第１電極層２および中間層３を覆った状態で、中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成することもできる。詳しくは電解質層４は、図１に示すように、中間層３の上と金属基板１の上とにわたって（跨って）設けられる。このように構成し、電解質層４を金属基板１に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
　また電解質層４は、図１に示すように、金属基板１の表側の面であって貫通孔１ａが設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔１ａは金属基板１における電解質層４が形成された領域の内側に形成されている。
　また電解質層４の周囲においては、第１電極層２および中間層３からのガスのリークを抑制することができる。説明すると、電気化学素子ＥをＳＯＦＣの構成要素として用いる場合、ＳＯＦＣの作動時には、金属基板１の裏側から貫通孔１ａを通じて第１電極層２へガスが供給される。電解質層４が金属基板１に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層４によって第１電極層２の周囲をすべて覆っているが、第１電極層２および中間層３の上部に電解質層４を設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。
　電解質層４の材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート）等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層４をジルコニア系セラミックスとすると、電気化学素子Ｅを用いたＳＯＦＣの稼働温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができる。例えば電気化学素子ＥをＳＯＦＣに用いる場合、電解質層４の材料としてＹＳＺのような６５０℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやＬＰＧ等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってＳＯＦＣのアノードガスとするシステム構成とすると、ＳＯＦＣのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なＳＯＦＣシステムを構築することができる。
　電解質層４は、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）やスプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば１１００℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層４が得られる。そのため、金属基板１の損傷を抑制し、また、金属基板１と第１電極層２との元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。
　電解質層４は、アノードガスやカソードガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層４の緻密度は９０％以上が好ましく、９５％以上であるとより好ましく、９８％以上であると更に好ましい。電解質層４は、均一な層である場合は、その緻密度が９５％以上であると好ましく、９８％以上であるとより好ましい。また、電解質層４が、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が９８％以上である層（緻密電解質層）を含んでいると好ましく、９９％以上である層（緻密電解質層）を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。
（反応防止層）
　反応防止層５は、電解質層４の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは２μｍ～５０μｍ程度、より好ましくは３μｍ以上１５μｍ以下とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。
　反応防止層５の材料としては、電解質層４の成分と第２電極層６の成分との間の反応を防止できる材料が用いられる。反応防止層５を電解質層４と第２電極層６との間に導入することにより、第２電極層６の構成材料と電解質層４の構成材料との反応が効果的に抑制され、電気化学素子Ｅの性能の長期安定性を向上できる。
　本実施形態では、反応防止層５の材料としてはＣｅを含有する材料が用いられる。また反応防止層５の材料として、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有する材料が好適に用いられる。形成された反応防止層５が、Ｓｍ、ＧｄおよびＹからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも１つを含有し、これら元素の含有率の合計が１．０質量％以上１０質量％以下であるとよい。
　反応防止層５の形成は、１１００℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属基板１の損傷を抑制し、また、金属基板１と第１電極層２との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
（第２電極層）
　第２電極層６は、反応防止層５の上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、１μｍ～１００μｍ程度、好ましくは、５μｍ～５０μｍとすることができる。このような厚さにすると、高価な第２電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。
　本実施形態では、第２電極層６が大粒子と小粒子とを含有する。小粒子は、第２電極層６に含有された状態での粒径が２００ｎｍ以下である。大粒子は、第２電極層６に含有された状態での粒径が５００ｎｍ以上である。これにより、第２電極層６は多孔質かつ微細なオープンポア構造を有するものとなり、三次元的なガスの拡散パスを有する高性能な物となる。特に第２電極層６は、気孔率が２０％以上４０％以下であるように形成される。
　第２電極層６に含有される大粒子には、長細い形状の粒子が多く含まれるとよい。例えば、長手方向の長さが短手方向の長さの２倍以上となる粒子が多く含まれると好適である。例えば、長手方向の長さを短手方向の長さで除したアスペクト比が２以上である粒子が多く含まれると好適である。このような粒子が、大粒子の５割以上を占めると更に好適である。
　第２電極層６は、複数の層を有して構成されてもよい。それら複数の層は、大粒子の含有率が異なってもよい。特に第２電極層６が、第１層と、第１層よりも電解質層４に近い第２層とを有して構成され、第１層における大粒子の含有率は、第２層における大粒子の含有率よりも大きいと好適である。この場合、第２層に比べて第１層の方が気孔率が大きくなる。すなわち、第２層の方が第１層に比べてより緻密な状態となる。なお大粒子の含有率は、大粒子と小粒子の合計に対する大粒子の重量割合である。具体的には、第１層の大粒子の含有率を３０から８０％とし、第２層の大粒子を２０から７０％とすると好適である。なお第２電極層６が有する複数の層は、２つに限られず、３つ以上であってもよい。第２電極層６が複数の層を有する場合に、電解質層４に近い層から遠い層へ向かうにつれて、大粒子の含有率が順に大きくなるよう、第２電極層６を構成してもよい。
　小粒子および大粒子の少なくともいずれか一方が、セリア系酸化物、ジルコニア系酸化物及びペロブスカイト型複合酸化物の少なくともいずれかであると好ましい。
　小粒子は、セリア系酸化物であると好ましい。例えば小粒子がＧＤＣ（ガドリウム・ドープ・セリア）、ＹＤＣ（イットリウム・ドープ・セリア）、ＳＤＣ（サマリウム・ドープ・セリア）のいずれかであると好ましい。
　なお小粒子は、ジルコニア系酸化物であってもよい。例えば小粒子がＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、もしくはＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）であってもよい。なお小粒子は、上述のセリア系酸化物と、ジルコニア系酸化物とが混在するものであってもよい。
　大粒子は、ペロブスカイト型複合酸化物であると好ましい。特に第２電極層６が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｍｎ、ＣｏおよびＦｅからなる群から選ばれる２種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物であると好ましい。例えば大粒子は、ＬＳＣＦやＬＳＭであってもよい。具体的には大粒子は、（ＬａＳｒ）（ＣｏＦｅ）Ｏ４であってもよい。
　以上の物質で構成される第２電極層６は、空気極（カソード）として機能しうる。
（集電層）
　集電層は、第２電極層６の上に薄層の状態で形成することができる。集電層を形成することで、集電抵抗の小さい、高性能な電気化学素子とすることができる。
　なお、第２電極層６の形成は、８００℃以上１１００℃未満の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、第２電極層６を構成する粒子の粒成長を抑えられ、また、金属基板１の損傷を抑制し、加えて、金属基板１と第１電極層２との元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた電気化学素子Ｅを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法（例えば１１００℃を以上の高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
（固体酸化物形燃料電池）
　以上のように電気化学素子Ｅを構成することで、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池の発電セルとして用いることができる。例えば、金属基板１の裏側の面から貫通孔１ａを通じて水素を含む燃料ガスを第１電極層２へ供給し、第１電極層２の対極となる第２電極層６へ空気を供給し、例えば、５００℃以上９００℃以下の温度で作動させる。そうすると、第２電極層６において空気に含まれる酸素Ｏ２が電子ｅ－と反応して酸素イオンＯ２－が生成される。その酸素イオンＯ２－が電解質層４を通って第１電極層２へ移動する。第１電極層２においては、供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が酸素イオンＯ２－と反応し、水Ｈ２Ｏと電子ｅ－が生成される。以上の反応により、第１電極層２と第２電極層６との間に起電力が発生する。この場合、第１電極層２はＳＯＦＣの燃料極（アノード）として機能し、第２電極層６は空気極（カソード）として機能する。（電気化学素子の製造方法）
　次に、本実施形態に係る電気化学素子Ｅの製造方法について説明する。
（第１電極層形成ステップ）
　第１電極層形成ステップでは、金属基板１の表側の面の貫通孔１ａが設けられた領域より広い領域に第１電極層２が薄膜の状態で形成される。金属基板１の貫通孔はレーザー加工等によって設けることができる。第１電極層２の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
　第１電極層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。
　まず、第１電極層２の材料粉末と溶媒（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、金属基板１の表側の面に塗布する。そして第１電極層２を圧縮成形し（電極層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（電極層焼成工程）。第１電極層２の圧縮成形は、例えば、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Rubber Isostatic Pressing）成形などにより行うことができる。また、電極層の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。また、電極層平滑化工程と電極層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
　なお、中間層を有する電気化学素子を形成する場合では、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を省いたり、電極層平滑化工程や電極層焼成工程を後述する中間層平滑化工程や中間層焼成工程に含めることもできる。
　なお、電極層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことでもできる。
（拡散抑制層形成ステップ）
　上述した第１電極層形成ステップにおける焼成工程時に、金属基板１の表面に金属酸化物層１ｂ（拡散抑制層）が形成される。なお、上記焼成工程に、焼成雰囲気を酸素分圧が低い雰囲気条件とする焼成工程が含まれていると元素の相互拡散抑制効果が高く、抵抗値の低い良質な金属酸化物層１ｂ（拡散抑制層）が形成されるので好ましい。第１電極層形成ステップを、焼成を行わないコーティング方法とする場合を含め、別途の拡散抑制層形成ステップを含めても良い。いずれにおいても、金属基板１の損傷を抑制可能な１１００℃以下の処理温度で実施することが望ましい。また、後述する中間層形成ステップにおける焼成工程時に、金属基板１の表面に金属酸化物層１ｂ（拡散抑制層）が形成されても良い。
（中間層形成ステップ）
　中間層形成ステップでは、第１電極層２を覆う形態で、第１電極層２の上に中間層３が薄層の状態で形成される。中間層３の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
　中間層形成ステップを低温焼成法で行う場合には、具体的には以下の例のように行う。まず、中間層３の材料粉末と溶媒（分散媒）とを混合して材料ペーストを作成し、金属基板１の表側の面に塗布する。そして中間層３を圧縮成形し（中間層平滑化工程）、１１００℃以下で焼成する（中間層焼成工程）。中間層３の圧延は、例えば、ＣＩＰ（Cold Isostatic Pressing、冷間静水圧加圧）成形、ロール加圧成形、ＲＩＰ（Rubber Isostatic Pressing）成形などにより行うことができる。また、中間層の焼成は、８００℃以上１１００℃以下の温度で行うと好適である。このような温度であると、金属基板１の損傷・劣化を抑制しつつ、強度の高い中間層３を形成できるためである。また、中間層３の焼成を１０５０℃以下で行うとより好ましく、１０００℃以下で行うと更に好ましい。これは、中間層３の焼成温度を低下させる程に、金属基板１の損傷・劣化をより抑制しつつ、電気化学素子Ｅを形成できるからである。また、中間層平滑化工程と中間層焼成工程の順序を入れ替えることもできる。
　なお、中間層平滑化工程は、ラップ成形やレベリング処理、表面の切削・研磨処理などを施すことでもできる。
（電解質層形成ステップ）
　電解質層形成ステップでは、第１電極層２および中間層３を覆った状態で、電解質層４が中間層３の上に薄層の状態で形成される。また、厚さが１０μｍ以下の薄膜の状態で形成されても良い。電解質層４の形成は、上述したように、低温焼成法（１１００℃以下の低温域での焼成処理を行う湿式法）、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
　緻密で気密性およびガスバリア性能の高い、良質な電解質層４を１１００℃以下の温度域で形成するためには、電解質層形成ステップをスプレーコーティング法で行うことが望ましい。その場合、電解質層４の材料を金属基板１上の中間層３に向けて噴射し、電解質層４を形成する。
（反応防止層形成ステップ）
　反応防止層形成ステップでは、反応防止層５が電解質層４の上に薄層の状態で形成される。反応防止層５の形成は、上述したように、低温焼成法、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。なお反応防止層５の上側の面を平坦にするために、例えば反応防止層５の形成後にレベリング処理や表面を切削・研磨処理を施したり、湿式形成後焼成前に、プレス加工を施してもよい。
（第２電極層形成ステップ）
　第２電極層形成ステップでは、第２電極層６が反応防止層５の上に薄層の状態で形成される。第２電極層６の形成は、上述したように、低温焼成法、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化と、構成粒子の粒成長を抑制するため、１１００℃未満の温度で行うことが望ましい。
　第２電極層６として複数の層を形成する場合、使用する材料や、層形成の条件を異ならせることにより、形態・性質の異なる複数の層を形成することができる。例えばスクリーン印刷により、大粒子の含有率の異なる２つの層を形成する場合は、次の様に行う。まず第２層（電解質層４に近い層）をスクリーン印刷で形成する。次に、大粒子の材料（例えばＬＳＣＦ）の含有率の大きいペーストを用いて第１層をスクリーン印刷で形成する。次に焼成を行い、第２電極層６を得る。
（集電層形成ステップ）
　集電層形成ステップでは、集電層が第２電極層６の上に薄層の状態で形成される。集電層の形成は、上述したように、低温焼成法、スプレーコーティング法（溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法）、ＰＶＤ法（スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など）、ＣＶＤ法などの方法を用いることができる。いずれの方法を用いる場合であっても、金属基板１の劣化を抑制するため、１１００℃未満の温度で行うことが望ましい。
　以上の様にして、電気化学素子Ｅを製造することができる。
　なお電気化学素子Ｅにおいて、中間層３と反応防止層５とは、何れか一方、あるいは両方を備えない形態とすることも可能である。すなわち、第１電極層２と電解質層４とが接触して形成される形態、あるいは電解質層４と第２電極層６とが接触して形成される形態も可能である。この場合に上述の製造方法では、中間層形成ステップ、反応防止層形成ステップが省略される。なお、他の層を形成するステップを追加したり、同種の層を複数積層したりすることも可能であるが、いずれの場合であっても、１１００℃以下の温度で行うことが望ましい。
＜実施例＞
　厚さ０．３ｍｍ、ｃｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵの金属板に対して、中心の領域にレーザー加工により貫通孔１ａを複数設けて、金属基板１を作製した。
　次に、６０重量％のＮｉＯ粉末と４０重量％のＧＤＣ粉末を混合し、有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、金属基板１の中心から半径３ｍｍの領域に第１電極層２を積層した。なお、第１電極層２の形成にはスクリーン印刷を用いた。そして第１電極層２を積層した金属基板１に対して、９５０℃で焼成処理を行った（第１電極層形成ステップ、拡散抑制層形成ステップ）。
　次に、ＧＤＣの微粉末に有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、第１電極層２を積層した金属基板１の中心から半径５ｍｍの領域に中間層３を積層した。次に、中間層３を積層した金属基板１に対して、ＣＩＰ成形した後、１０００℃で焼成処理を行うことで、表面が平坦な中間層３を形成した（中間層形成ステップ）。
　以上のステップで得られた第１電極層２の厚さは約１５μｍであり、中間層３の厚さは約１５μｍであった。第１電極層２と中間層３を積層した金属基板１はガスの流通性を有する電極層付基板となっている。
　続いて、モード径が約０．７μｍの８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）成分を金属基板１の中間層３の上に、中間層３を覆うように１５ｍｍ×１５ｍｍの範囲で５ｍｍ／秒のスキャン速度で基板を移動させながら噴射し、電解質層４を形成した（スプレーコート）。なお、その際、金属基板１は加熱しなかった（電解質層形成ステップ）。
　以上のステップで得られた電解質層４の厚さは９～１０μｍ程度であった。このように第１電極層２と中間層３と電解質層４を積層した状態での金属基板１のＨｅリーク量を０．２ＭＰａの圧力下で測定したところ、Ｈｅリーク量は検出下限（１．０ｍＬ／分・ｃｍ２）未満であった。従って、形成された電解質層４は、ガスバリア性を有することが分かる。
　次に、ＧＤＣの微粉末に有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、電気化学素子Ｅの電解質層４の上に、反応防止層５を形成した。
　その後、反応防止層５を形成した電気化学素子Ｅに対して、ＣＩＰ成形した後、１０００℃で１時間の焼成処理を行うことで、表面が平坦な反応防止層５を形成した（反応防止層形成ステップ）。
　更に、粒径の中央値が０．１５μｍのＧＤＣ粉末と粒径の中央値が０．６４μｍのＬＳＣＦ粉末とを重量比３：７の比率で混合し、有機バインダーと有機溶媒（分散媒）を加えてペーストを作製した。そのペーストを用いて、スクリーン印刷により、反応防止層５の上に第２電極層６を形成した。最後に、第２電極層６を形成した電気化学素子Ｅを９００℃にて焼成し（第２電極層形成ステップ）、電気化学素子Ｅを得た。
　得られた電気化学素子Ｅについて、第１電極層２に水素ガス、第２電極層６に空気を供給して固体酸化物形燃料電池セルとしての開回路電圧（ＯＣＶ）を測定した。結果は、７５０℃で１．０３Ｖであった。また、電子負荷装置を用いて電流を印加すると、０．８０Ｖで０．３０Ｗ／ｃｍ２の出力が得られた。
　また、この電気化学素子Ｅの断面の電子顕微鏡写真を図５および図６に示す。この電子顕微鏡写真から分かるように、第２電極層６は多孔質に形成されている。図５の電子顕微鏡写真から、第２電極層６の気孔率は２６％と認められる。図５の電子顕微鏡写真では、粒径が５００ｎｍ以上の粒子（Ａ５１～Ａ５４）の存在と、多数の粒径２００ｎｍ以下の粒子の存在が認められる。図６の電子顕微鏡写真では、粒径が５００ｎｍ以上の粒子（Ａ６１）の存在と、多数の粒径２００ｎｍ以下の粒子の存在が認められる。したがって図５および図６の電子顕微鏡写真から、第２電極層６が、粒径が２００ｎｍ以下の小粒子と、粒径が５００ｎｍ以上である大粒子とを含有することがわかる。
　図７は同じサンプルの別の視野の電子顕微鏡写真である。図８および図９は、図７と同じ視野のＥＰＭＡ元素マッピング図である。図８は、Ｆｅの分布を示している。ＦｅはＬＳＣＦの構成元素であるから、図８で濃色に示された部位は、ＬＳＣＦ粉末に由来する粒子に対応する。図９は、Ｃｅの分布を示している。ＣｅはＧＤＣの構成元素であるから、図９で濃色に示された部位は、ＧＤＣ粉末に由来する粒子に対応する。
　図７の電子顕微鏡写真に示されたＡ７１およびＡ７２は、粒径が５００ｎｍ以上の粒子（大粒子）である。図８では、Ａ７１およびＡ７２に対応する部位（Ａ８１およびＡ８２）が濃色となっており、当該部位にはＦｅが分布している。図９では、Ａ７１およびＡ７２に対応する部位は濃色ではなく、当該部位にはＣｅは分布していない。したがってＡ７１およびＡ７２の大粒子は、ＬＳＣＦ粉末に由来する粒子であるとわかる。
＜第２実施形態＞
　図２・図３を用いて、本実施形態に係る電気化学素子Ｅ、電気化学モジュールＭ、電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺについて説明する。
　本実施形態に係る電気化学素子Ｅは、図２に示すように、金属基板１の裏面にＵ字部材７が取り付けられており、金属基板１とＵ字部材７とで筒状支持体を形成している。
　そして集電部材２６を間に挟んで電気化学素子Ｅが複数積層されて、電気化学モジュールＭが構成されている。集電部材２６は、電気化学素子Ｅの第２電極層６と、Ｕ字部材７とに接合され、両者を電気的に接続している。
　電気化学モジュールＭは、ガスマニホールド１７、集電部材２６、終端部材および電流引出し部を有する。複数積層された電気化学素子Ｅは、筒状支持体の一方の開口端部がガスマニホールド１７に接続されて、ガスマニホールド１７から気体の供給を受ける。供給された気体は、筒状支持体の内部を通流し、金属基板１の貫通孔１ａを通って第１電極層２に供給される。
　図３には、エネルギーシステムＺおよび電気化学装置Ｙの概要が示されている。
　エネルギーシステムＺは、電気化学装置Ｙと、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器５３とを有する。
　電気化学装置Ｙは、電気化学モジュールＭと、脱硫器３１と改質器３４とを有し電気化学モジュールＭに対して還元性成分を含有する燃料ガスを供給する燃料供給部と、電気化学モジュールＭから電力を取り出すインバータ３８とを有する。
　詳しくは電気化学装置Ｙは、脱硫器３１、改質水タンク３２、気化器３３、改質器３４、ブロア３５、燃焼部３６、インバータ３８、制御部３９、収納容器４０および電気化学モジュールＭを有する。
　脱硫器３１は、都市ガス等の炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄化合物成分を除去（脱硫）する。原燃料中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器３１を備えることにより、硫黄化合物による改質器３４あるいは電気化学素子Ｅに対する影響を抑制することができる。気化器３３は、改質水タンク３２から供給される改質水から水蒸気を生成する。改質器３４は、気化器３３にて生成された水蒸気を用いて脱硫器３１にて脱硫された原燃料を水蒸気改質して、水素を含む改質ガスを生成する。
　電気化学モジュールＭは、改質器３４から供給された改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを用いて、電気化学反応させて発電する。燃焼部３６は、電気化学モジュールＭから排出される反応排ガスと空気とを混合させて、反応排ガス中の可燃成分を燃焼させる。
　電気化学モジュールＭは、複数の電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７とを有する。複数の電気化学素子Ｅは互いに電気的に接続された状態で並列して配置され、電気化学素子Ｅの一方の端部（下端部）がガスマニホールド１７に固定されている。電気化学素子Ｅは、ガスマニホールド１７を通じて供給される改質ガスと、ブロア３５から供給された空気とを電気化学反応させて発電する。
　インバータ３８は、電気化学モジュールＭの出力電力を調整して、商用系統（図示省略）から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。制御部３９は電気化学装置ＹおよびエネルギーシステムＺの運転を制御する。
　気化器３３、改質器３４、電気化学モジュールＭおよび燃焼部３６は、収納容器４０内に収納される。そして改質器３４は、燃焼部３６での反応排ガスの燃焼により発生する燃焼熱を用いて原燃料の改質処理を行う。
　原燃料は、昇圧ポンプ４１の作動により原燃料供給路４２を通して脱硫器３１に供給される。改質水タンク３２の改質水は、改質水ポンプ４３の作動により改質水供給路４４を通して気化器３３に供給される。そして、原燃料供給路４２は脱硫器３１よりも下流側の部位で、改質水供給路４４に合流されており、収納容器４０外にて合流された改質水と原燃料とが収納容器４０内に備えられた気化器３３に供給される。
　改質水は気化器３３にて気化され水蒸気となる。気化器３３にて生成された水蒸気を含む原燃料は、水蒸気含有原燃料供給路４５を通して改質器３４に供給される。改質器３４にて原燃料が水蒸気改質され、水素ガスを主成分とする改質ガス（還元性成分を有する第１気体）が生成される。改質器３４にて生成された改質ガスは、改質ガス供給路４６を通して電気化学モジュールＭのガスマニホールド１７に供給される。
　ガスマニホールド１７に供給された改質ガスは、複数の電気化学素子Ｅに対して分配され、電気化学素子Ｅとガスマニホールド１７との接続部である下端から電気化学素子Ｅに供給される。改質ガス中の主に水素（還元性成分）が、電気化学素子Ｅにて電気化学反応に使用される。反応に用いられなかった残余の水素ガスを含む反応排ガスが、電気化学素子Ｅの上端から燃焼部３６に排出される。
　反応排ガスは燃焼部３６で燃焼され、燃焼排ガスとなって燃焼排ガス排出口５０から収納容器４０の外部に排出される。燃焼排ガス排出口５０には燃焼触媒部５１（例えば、白金系触媒）が配置され、燃焼排ガスに含有される一酸化炭素や水素等の還元性成分を燃焼除去する。燃焼排ガス排出口５０から排出された燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出路５２により熱交換器５３に送られる。
　熱交換器５３は、燃焼部３６における燃焼で生じた燃焼排ガスと、供給される冷水とを熱交換させ、温水を生成する。すなわち熱交換器５３は、電気化学装置Ｙから排出される熱を再利用する排熱利用部として動作する。
　なお、排熱利用部の代わりに、電気化学モジュールＭから（燃焼されずに）排出される反応排ガスを利用する反応排ガス利用部を設けてもよい。反応排ガスには、電気化学素子Ｅにて反応に用いられなかった残余の水素ガスが含まれる。反応排ガス利用部では、残余の水素ガスを利用して、燃焼による熱利用や、燃料電池等による発電が行われ、エネルギーの有効利用がなされる。
＜第３実施形態＞
　図４に、電気化学モジュールＭの他の実施形態を示す。本実施形態に係る電気化学モジュールＭは、上述の電気化学素子Ｅを、セル間接続部材７１を間に挟んで積層することで、電気化学モジュールＭを構成する。
　セル間接続部材７１は、導電性を有し、かつ気体透過性を有さない板状の部材であり、表面と裏面に、互いに直交する溝７２が形成されている。セル間接続部材７１はステンレス等の金属や、金属酸化物を用いることができる。
　図４に示すように、このセル間接続部材７１を間に挟んで電気化学素子Ｅを積層すると、溝７２を通じて気体を電気化学素子Ｅに供給することができる。詳しくは一方の溝７２が第１気体流路７２ａとなり、電気化学素子Ｅの表側、すなわち第２電極層６に気体を供給する。他方の溝７２が第２気体流路７２ｂとなり、電気化学素子Ｅの裏側、すなわち金属基板１の裏側の面から貫通孔１ａを通じて第１電極層２へ気体を供給する。
　この電気化学モジュールＭを燃料電池として動作させる場合は、第１気体流路７２ａに酸素を供給し、第２気体流路７２ｂに水素を供給する。そうすると電気化学素子Ｅにて燃料電池としての反応が進行し、起電力・電流が発生する。発生した電力は、積層された電気化学素子Ｅの両端のセル間接続部材７１から、電気化学モジュールＭの外部に取り出される。
　なお、本本実施形態では、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに直交する溝７２を形成したが、セル間接続部材７１の表面と裏面に、互いに並行する溝７２を形成することもできる。
（他の実施形態）
（１）上記の実施形態では、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池に用いたが、電気化学素子Ｅは、固体酸化物形電解セルや、固体酸化物を利用した酸素センサ等に利用することもできる。
（２）上記の実施形態では、金属基板１を支持体とする金属支持型の固体酸化物形燃料電池に用いたが、本願は、第１電極層２もしくは第２電極層６を支持体とする電極支持型の固体酸化物形燃料電池や電解質層４を支持体とする電解質支持型の固体酸化物形燃料電池に利用することもできる。それらの場合は、第１電極層２もしくは第２電極層６、または、電解質層４を必要な厚さとして、支持体としての機能が得られるようにすることができる。
（３）上記の実施形態では、第１電極層２の材料として例えばＮｉＯ－ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＹＳＺ、ＣｕＯ－ＣｅＯ２、Ｃｕ－ＣｅＯ２などの複合材を用い、第２電極層６の材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用いた。このように構成された電気化学素子Ｅは、第１電極層２に水素ガスを供給して燃料極（アノード）とし、第２電極層６に空気を供給して空気極（カソード）とし、固体酸化物形燃料電池セルとして用いることが可能である。この構成を変更して、第１電極層２を空気極とし、第２電極層６を燃料極とすることが可能なように、電気化学素子Ｅを構成することも可能である。すなわち、第１電極層２の材料として例えばＬＳＣＦ、ＬＳＭ等の複合酸化物を用い、第２電極層６の材料として例えばＮｉＯ－ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＹＳＺ、ＣｕＯ－ＣｅＯ２、Ｃｕ－ＣｅＯ２などの複合材を用いる。このように構成した電気化学素子Ｅであれば、第１電極層２に空気を供給して空気極とし、第２電極層６に水素ガスを供給して燃料極とし、電気化学素子Ｅを固体酸化物形燃料電池セルとして用いることができる。
　なお、上記の実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
　電気化学素子および固体酸化物形燃料電池セルとして利用可能である。
１　　　　：金属基板（金属支持体）
１ａ　　　：貫通孔
２　　　　：電極層
３　　　　：中間層
４　　　　：第１電解質層（対極電極層、燃料極層）
４ａ　　　：電解質層上側面
５　　　　：反応防止層
６　　　　：第２電極層（電極層、空気極層）
Ｂ　　　　：電極層付基板
Ｅ　　　　：電気化学素子
Ｍ　　　　：電気化学モジュール
Ｙ　　　　：電気化学装置
Ｚ　　　　：エネルギーシステム

Claims (16)

  1. 　電極層を有する電気化学素子であって、
    　前記電極層が小粒子と大粒子とを含有し、
    　前記小粒子の前記電極層における粒径が２００ｎｍ以下であり、
    　前記大粒子の前記電極層における粒径が５００ｎｍ以上である、電気化学素子。
  2. 　前記小粒子と前記大粒子が、それぞれ別の材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学素子。
  3. 　前記小粒子および前記大粒子の少なくともいずれか一方が、セリア系酸化物、ジルコニア系酸化物及びペロブスカイト型複合酸化物の少なくともいずれかである請求項２に記載の電気化学素子。
  4. 　前記大粒子がペロブスカイト型複合酸化物である請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  5. 　前記電極層に含有される前記大粒子のうち、５割以上の大粒子が、長手方向の長さを短手方向の長さで除したアスペクト比が２以上である請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  6. 　前記電極層の気孔率が２０％以上４０％以下である請求項１から５のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  7. 　前記電極層が複数の層を有して構成される請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  8. 　電解質層を有し、前記電極層は、第１層と、前記第１層よりも前記電解質層に近い第２層とを有し、前記第１層における前記大粒子の含有率は、前記第２層における前記大粒子の含有率よりも大きい請求項１から７のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  9. 　電解質層を有し、前記電極層と前記電解質層との間に配置された反応防止層を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  10. 　電解質層を有し、前記電解質層に対して前記電極層と反対側に配置された対極電極層を有する請求項１から９のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  11. 　前記電極層が空気極層である請求項１から１０のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  12. 　前記電極層の前記電解質層とは逆の面に、電子導電性を有する集電層を有する請求項１から１１のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  13. 　金属支持体に支持されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の電気化学素子。
  14. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気化学素子が複数集合した状態で配置される電気化学モジュール。
  15. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気化学素子を備え、前記電気化学素子で発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池。
  16. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の電気化学素子を製造する製造方法であって、前記電極層の焼成が８００℃以上１１００℃未満の温度で行われる、製造方法。
PCT/JP2018/013691 2017-03-31 2018-03-30 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法 WO2018181924A1 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020197024361A KR20190127687A (ko) 2017-03-31 2018-03-30 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 고체 산화물형 연료 전지, 및 제조 방법
EP18775648.1A EP3605680A4 (en) 2017-03-31 2018-03-30 ELECTROCHEMICAL ELEMENT, ELECTROCHEMICAL MODULE, SOLID OXIDE FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD
JP2019510265A JP7145844B2 (ja) 2017-03-31 2018-03-30 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法
CN201880022209.4A CN110447134A (zh) 2017-03-31 2018-03-30 电化学元件、电化学模块、固体氧化物型燃料电池和制造方法
US16/497,478 US11677080B2 (en) 2017-03-31 2018-03-30 Electrochemical element, electrochemical module, solid oxide fuel cell and manufacturing method
CA3058582A CA3058582A1 (en) 2017-03-31 2018-03-30 Electrochemical element, electrochemical module, solid oxide fuel cell and manufacturing method
KR1020247034217A KR20240153622A (ko) 2017-03-31 2018-03-30 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 고체 산화물형 연료 전지, 및 제조 방법

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-073206 2017-03-31
JP2017073206 2017-03-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018181924A1 true WO2018181924A1 (ja) 2018-10-04

Family

ID=63678057

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/013691 WO2018181924A1 (ja) 2017-03-31 2018-03-30 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11677080B2 (ja)
EP (1) EP3605680A4 (ja)
JP (1) JP7145844B2 (ja)
KR (2) KR20240153622A (ja)
CN (1) CN110447134A (ja)
CA (1) CA3058582A1 (ja)
WO (1) WO2018181924A1 (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012104407A (ja) * 2010-11-11 2012-05-31 Honda Motor Co Ltd 電解質・電極接合体及びその製造方法
JP2012513096A (ja) * 2008-12-19 2012-06-07 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド 固体酸化物燃料電池用の還元−酸化耐性電極
JP2012221946A (ja) 2011-04-04 2012-11-12 Korea Institute Of Science And Technology ナノ構造複合体空気極を含む固体酸化物燃料電池及びその製造方法
JP2014146421A (ja) * 2013-01-25 2014-08-14 Riken Corp 固体酸化物型燃料電池の支持体を兼ねる燃料極およびその製造方法
JP2015088284A (ja) * 2013-10-29 2015-05-07 株式会社ノリタケカンパニーリミテド 固体酸化物形燃料電池
JP2016225036A (ja) 2015-05-27 2016-12-28 京セラ株式会社 セル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2774436B2 (ja) 1993-09-07 1998-07-09 リンナイ株式会社 多孔質体
JPH08259346A (ja) 1995-03-28 1996-10-08 Ngk Insulators Ltd 多孔質焼結体およびその製造方法
JP2001196069A (ja) * 1999-11-01 2001-07-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池
JP4517589B2 (ja) 2003-06-04 2010-08-04 日産自動車株式会社 固体酸化物形燃料電池用セル及びその製造方法
JP4666279B2 (ja) 2004-06-22 2011-04-06 日産自動車株式会社 固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池
JP2006032132A (ja) 2004-07-16 2006-02-02 Hosokawa Funtai Gijutsu Kenkyusho:Kk 固体電解質型燃料電池の空気極原料粉体、空気極及び固体電解質型燃料電池
WO2007061043A1 (ja) * 2005-11-25 2007-05-31 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 固体酸化物形燃料電池
FR2921204B1 (fr) * 2007-09-14 2009-12-04 Saint Gobain Ct Recherches Poudre a grains allonges
AP3221A (en) 2010-03-23 2015-04-30 Siga Technologies Inc Polymorphic forms ST-246 and methods of preparation
JP5117605B2 (ja) 2010-07-21 2013-01-16 日本碍子株式会社 電極材料及びそれを含む固体酸化物型燃料電池セル
JP5225336B2 (ja) 2010-07-28 2013-07-03 京セラ株式会社 燃料電池セル及び燃料電池
JP2012227142A (ja) 2011-04-19 2012-11-15 Samsung Electronics Co Ltd 燃料電池用正極材料、これを含む燃料電池用正極および固体酸化物形燃料電池
KR20130022828A (ko) 2011-08-26 2013-03-07 연세대학교 산학협력단 고체산화물 연료전지 전해질용 수소이온 전도체 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지
JP2013077397A (ja) 2011-09-29 2013-04-25 Nippon Shokubai Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP6026793B2 (ja) 2011-11-17 2016-11-16 株式会社日本触媒 電極用触媒及びその製造方法
JP5655032B2 (ja) 2012-05-28 2015-01-14 株式会社ノリタケカンパニーリミテド 固体酸化物形燃料電池および該燃料電池のカソード形成用材料
KR102436926B1 (ko) 2014-09-19 2022-08-25 오사까 가스 가부시키가이샤 전기 화학 소자, 고체 산화물형 연료 전지 셀, 및 이들의 제조 방법
JP2016072037A (ja) 2014-09-29 2016-05-09 株式会社日本触媒 固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法、固体酸化物形燃料電池用カソード及び固体酸化物形燃料電池用単セル
JP6780920B2 (ja) 2015-06-19 2020-11-04 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 燃料電池単セルおよび燃料電池スタック
JP6562739B2 (ja) * 2015-07-01 2019-08-21 日立造船株式会社 電極および金属空気二次電池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012513096A (ja) * 2008-12-19 2012-06-07 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド 固体酸化物燃料電池用の還元−酸化耐性電極
JP2012104407A (ja) * 2010-11-11 2012-05-31 Honda Motor Co Ltd 電解質・電極接合体及びその製造方法
JP2012221946A (ja) 2011-04-04 2012-11-12 Korea Institute Of Science And Technology ナノ構造複合体空気極を含む固体酸化物燃料電池及びその製造方法
JP2014146421A (ja) * 2013-01-25 2014-08-14 Riken Corp 固体酸化物型燃料電池の支持体を兼ねる燃料極およびその製造方法
JP2015088284A (ja) * 2013-10-29 2015-05-07 株式会社ノリタケカンパニーリミテド 固体酸化物形燃料電池
JP2016225036A (ja) 2015-05-27 2016-12-28 京セラ株式会社 セル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3605680A4

Also Published As

Publication number Publication date
KR20240153622A (ko) 2024-10-23
CN110447134A (zh) 2019-11-12
KR20190127687A (ko) 2019-11-13
US20210111413A1 (en) 2021-04-15
EP3605680A4 (en) 2021-01-13
EP3605680A1 (en) 2020-02-05
US11677080B2 (en) 2023-06-13
CA3058582A1 (en) 2018-10-04
JPWO2018181924A1 (ja) 2020-02-06
JP7145844B2 (ja) 2022-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7105972B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および電気化学素子の製造方法
JP7202061B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、および固体酸化物形燃料電池
US20230392249A1 (en) Manufacturing Method for Alloy Material, Alloy Material, Electrochemical Element, Electrochemical Module, Electrochemical Device, Energy System and Solid Oxide Fuel Cell
WO2019189913A1 (ja) 電気化学素子の金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セルおよび金属支持体の製造方法
WO2019189912A1 (ja) 電気化学素子の金属支持体、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セルおよび金属支持体の製造方法
US20240047702A1 (en) Substrate with Electrode Layer for Metal-Supported Electrochemical Element, Electrochemical Element, Electrochemical Module, Solid Oxide Fuel Cell and Manufacturing Method
CN111971835A (zh) 金属板、电化学元件、电化学模块、电化学装置、能源系统、固体氧化物型燃料电池和金属板的制造方法
JP7202060B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、および固体酸化物形燃料電池
JP2020095984A (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および電気化学素子製造方法
JP7145844B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、および製造方法
CN111902985A (zh) 金属板、电化学元件、电化学模块、电化学装置、能源系统、固体氧化物型燃料电池和金属板的制造方法
JPWO2018181923A1 (ja) 電気化学装置、エネルギーシステム、および固体酸化物形燃料電池
JP2023148146A (ja) 金属支持型電気化学素子の製造方法、金属支持型電気化学素子、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
JP2024129616A (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形電解セル、電気化学装置、エネルギーシステム及び電気化学素子の製造方法
JP2020095983A (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および電気化学素子製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18775648

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20197024361

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019510265

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3058582

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2018775648

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018775648

Country of ref document: EP

Effective date: 20191031

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务，不要输入任何密码和下载