JP2020155342A - セルスタック及び電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】機能膜が金属支持部材から剥離することを抑制可能な電気化学セルを提供する。【解決手段】セルは、金属支持部材４と、金属支持部材４によって支持される第１電極５と、第２電極と、第１電極５と第２電極との間に配置される電解質とを備える。第１電極５は、金属支持部材４に係止されている。金属支持部材４として、複数の線材４１を織り込むことによって形成されたメッシュ部材が用いられている。第１電極５は、金属支持部材４の第１凹部Ｓ１に係止される第１係止部５１及び金属支持部材４の第２凹部Ｓ２に係止される第２係止部５２を有する。交差する２本の線材４１の両側に第１及び第２係止部５１，５２が係止されることによって、金属支持部材４に対する第１電極５の係止力を増大させることができ、第１電極５が金属支持部材４から剥離することをより抑制できる。【選択図】図３

Description

本発明は、セルスタック及び電気化学セルに関する。

従来、金属支持部材と、金属支持部材上に配置される素子部とを備える電気化学セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。素子部は、金属支持部材によって支持される第１電極と、第２電極と、第１電極及び第２電極の間に配置される電解質とを有する。

国際公開第２０１８／１８１９２６号

電気化学セルでは、金属支持部材上に素子部の機能膜を成膜すると、金属支持部材と機能膜との間に発生する熱応力によって、機能膜が金属支持部材から剥離するおそれがある。機能膜とは、素子部のうち金属支持部材上に成膜される第１電極又は電解質である。

本発明は、機能膜が金属支持部材から剥離することを抑制可能な電気化学セルを提供することを目的とする。

本発明に係る電気化学セルは、金属支持部材と、金属支持部材によって支持される第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置される電解質とを備える。第１電極及び電解質のうち少なくとも一方の機能膜は、金属支持部材に係止されている。

本発明によれば、機能膜が金属支持部材から剥離することを抑制可能することができる。

第１実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す断面図 第１実施形態に係る金属支持部材の構成を示す平面図 第１実施形態に係る第１電極の断面図 第２実施形態に係る燃料電池セルの構成を示す断面図 第２実施形態に係る金属支持部材の構成を示す平面図 第２実施形態に係る第１電極の断面図

１．第１実施形態
（固体酸化物形燃料電池セル１の構成）
固体酸化物形燃料電池セル１は、Ｏ^２−（酸素イオン）をキャリアとする。固体酸化物形燃料電池セル１は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。以下の説明では、固体酸化物形燃料電池セルを「セル」と略称する。

図１は、第１実施形態に係るセル１の構成を示す断面図である。セル１は、金属支持部材４、第１電極５、電解質６、反応防止膜７、及び第２電極８を有する。第１電極５、電解質６、反応防止膜７、及び第２電極８は、セル１の「素子部」を構成する。

［金属支持部材４］
金属支持部材４は、第１電極５、電解質６、反応防止膜７、及び第２電極８を支持する。金属支持部材４は、全体として平板状に形成される。金属支持部材４は、セル１の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．０２ｍｍ〜２．０ｍｍとすることができる。

図２は、金属支持部材４の構成を示す平面図である。本実施形態では、金属支持部材４として、複数の線材４１を織り込むことによって形成されたメッシュ部材が用いられている。従って、金属支持部材１４の電子伝導性が高く、かつ、金属支持部材１４が規則構造を有しているため、金属支持部材１４における電子の流れを良好かつ均一にすることができる。その結果、第１電極１５での電極反応における電子の授受が円滑になり、電極反応を向上させることができる。

金属支持部材４は、全体としてシート状に形成されているが、表面及び裏面は一様な平面ではなく、線材４１の織り込み形状に応じた規則的な凹凸が存在している。

図２では、縦方向及び横方向の両方向に沿って複数の線材４１が垂直に織り込まれているが、各線材４１の配置は適宜変更可能である。従って、メッシュ部材の織り方は、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、或いは、他の織り方であってもよい。

各線材４１は、金属材料によって構成される。各線材４１を構成する金属材料は特に制限されないが、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）やＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。線材４１におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４〜３０質量％とすることができる。線材４１は、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。線材４１におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。線材４１におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。線材４１は、ＴｉをＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）として含有していてもよい。線材４１の表面には、酸化クロム膜が形成されていてもよい。

平面視における各線材４１の隙間（すなわち、目開き）は、第１電極５に供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）の流路として機能する。各線材４１の隙間のサイズ（すなわち、目開き寸法）は特に制限されず、適宜設定すればよい。

本実施形態において、金属支持部材４の一部は、第１電極５に埋設されている。ただし、厚み方向（第１電極５、電解質６、及び第２電極８の積層方向）において、金属支持部材４の全体が第１電極５に埋設されていてもよいし、金属支持部材１４は第１電極１５に埋設されていなくてもよい。

［第１電極５］
本実施形態において、第１電極５は、金属支持部材４に係止される「機能膜」の一例である。第１電極５は、金属支持部材４によって支持される。本実施形態において、第１電極５は、その内部に一部埋設された金属支持部材４によって支持されている。

第１電極５は、多孔質であることが好ましい。第１電極５の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％〜７０％とすることができる。第１電極５の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１００μｍとすることができる。

本実施形態において、第１電極５には燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給され、第１電極５は、アノード（燃料極）として機能する。第１電極５は、ＮｉＯ−ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、Ｎｉ−ＧＤＣ、ＮｉＯ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＣｕＯ−ＣｅＯ_２、Ｃｕ−ＣｅＯ_２などの複合材料によって構成することができる。

第１電極５の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法、スプレーコーティング法（溶射法、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）、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法などにより成膜することができる。

ここで、図３は、第１電極５の断面図である。図３では、セル１の厚み方向に平行な断面が図示されている。

第１電極５は、金属支持部材４に係止されている。具体的には、第１電極５は、金属支持部材４の第１凹部Ｓ１に係止される第１係止部５１を有する。第１凹部Ｓ１は、複数の線材４１のうち交差する２本の線材４１の間に形成される隙間である。このように、第１電極５の一部が金属支持部材４の隙間に係止されることによって、金属支持部材４と第１電極５との間に熱応力が発生したとしても、第１電極５（すなわち、素子部）が金属支持部材４から剥離することを抑制できる。

また、第１電極５は、金属支持部材４の第２凹部Ｓ２に係止される第２係止部５２をさらに有する。第２凹部Ｓ２は、交差する２本の線材４１の間に形成される隙間である。第２凹部Ｓ２は、線材４１を介して第１凹部Ｓ１の反対側に位置する。このように、交差する２本の線材４１の両側に第１及び第２係止部５１，５２が係止されることによって、金属支持部材４に対する第１電極５の係止力を増大させることができる。従って、第１電極５が金属支持部材４から剥離することをより抑制できる。

なお、金属支持部材４の第１凹部Ｓ１と２凹部Ｓ２とが連なっている場合、第１電極５の第１係止部５１と第２係止部５２とは一体的に形成されていてもよい。すなわち、交差する２本の線材４１の間に環状の隙間が形成されている場合、第１及び第２係止部５１，５２は環状に形成された係止部の一部であってもよい。

また、図３に示すように、各線材４１の断面は、面方向（厚み方向に垂直な方向）に延びる扁平状である。これにより、金属支持部材４の厚み方向における柔軟性を向上させることができるため、金属支持部材４が全体的或いは局所的に変形することによって、金属支持部材４と第１電極５との間に熱応力が発生することを更に抑制できる。各線材４１の断面形状は特に制限されず、楕円状、矩形、短冊状などにすることができる。ただし、全ての線材４１の断面が扁平である必要はなく、複数の線材４１のうち少なくとも一部の線材４１の断面が扁平状であればよい。

図３に示すように、一部の線材４１は、第１電極５の裏面から露出していてもよいし、第１電極５の内部に埋まっていてもよい。

［電解質６］
電解質６は、第１電極５と第２電極８との間に配置される。本実施形態では、セル１が反応防止膜７を有しているため、電解質６は、第１電極５と反応防止膜７との間に介挿されている。

本実施形態において、電解質６は、第１電極５全体を覆うように成膜されており、電解質６の外縁は、金属支持部材４に接合されている。これにより、第１電極５に供給される燃料ガスと第２電極８に供給される酸化剤ガスとの混合を抑制できるため、金属支持部材４と電解質６との間を別途封止する必要がない。

電解質６は、酸化物イオン伝導性を有する。電解質６は、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を抑制できる程度のガスバリア性を有する。電解質６は、複層構造であってもよいが、少なくとも１つの層が緻密層であることが好ましい。緻密層の気孔率は、１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましく、２％以下が更に好ましい。電解質６の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１０μｍとすることができる。

電解質６は、ＹＳＺ、ＧＤＣ、ＳＳＺ、ＳＤＣ、ＬＳＧＭなどによって構成することができる。電解質６の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。

［反応防止膜７］
反応防止膜７は、電解質６上に配置される。反応防止膜７は、電解質６と第２電極８との間に介挿される。反応防止膜７の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１００μｍとすることができる。反応防止膜７は、第２電極８の構成材料と電解質６の構成材料とが反応して高抵抗層が形成されることを抑制する。

反応防止膜７は、ＧＤＣ、ＳＤＣなどのセリア系材料によって構成することができる。反応防止膜７の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。

［第２電極８］
第２電極８は、電解質６を基準として、第１電極５の反対側に配置される。本実施形態では、セル１が反応防止膜７を有しているため、第２電極８は、反応防止膜７上に配置される。

第２電極８は、多孔質であることが好ましい。第２電極８の気孔率は特に制限されないが、例えば２０％〜７０％とすることができる。第２電極８の厚さは特に制限されないが、例えば１μｍ〜１００μｍとすることができる。

本実施形態において、第２電極８には酸化剤ガス（例えば、空気）が供給され、第２電極８は、カソード（空気極）として機能する。第２電極８は、ＬＳＣＦ、ＬＳＦ、ＬＳＣ、ＬＮＦ、ＬＳＭなどによって構成することができる。特に、第２電極８は、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を含んでいることが好ましい。

第２電極８の成膜方法は特に制限されず、焼成法、スクリーン印刷法、スプレーコーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法などにより成膜することができる。

［セル１の動作］
まず、第１電極５に燃料ガスを供給し、かつ、第２電極８に酸化剤ガスを供給しながら、セル１を作動温度（例えば、６００℃〜８５０℃）まで加熱する。すると、第２電極８においてＯ_２（酸素）がｅ⁻（電子）と反応してＯ^２−（酸素イオン）が生成される。生成されたＯ^２−は、電解質６を通って第１電極５に移動する。第１電極５に移動したＯ^２−は、燃料ガスに含まれるＨ_２（水素）と反応して、Ｈ_２Ｏ（水）とｅ⁻とが生成される。このような反応によって、第１電極５と第２電極８との間に起電力が発生する。

２．第２実施形態
（固体アルカリ形燃料電池セル１０の構成）
固体アルカリ形燃料電池セル１０は、ＯＨ⁻（水酸化物イオン）をキャリアとするアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）の一種である。固体アルカリ形燃料電池セル１０は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。以下の説明では、固体アルカリ形燃料電池セルを「セル」と略称する。

図４は、第２実施形態に係るセル１０の構成を示す断面図である。セル１０は、金属支持部材１４、第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８を有する。第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８は、セル１０の「素子部」を構成する。

［金属支持部材１４］
金属支持部材１４は、第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８を支持する。金属支持部材１４は、全体として平板状に形成される。金属支持部材１４は、セル１０の強度を保つことができればよく、その厚みは特に制限されないが、例えば０．０２ｍｍ〜２．０ｍｍとすることができる。

図５は、金属支持部材１４の構成を示す平面図である。金属支持部材１４は、複数の線材１４１を織り込むことによって形成されたメッシュ部材である。従って、金属支持部材１４の電子伝導性が高く、かつ、金属支持部材１４が規則構造を有しているため、金属支持部材１４における電子の流れを良好かつ均一にすることができる。その結果、第１電極１５での電極反応における電子の授受が円滑になり、電極反応を向上させることができる。

金属支持部材１４は、全体としてシート状に形成されているが、表面及び裏面は一様な平面ではなく、線材１４１の織り込み形状に応じた規則的な凹凸が存在している。

図５では、縦方向及び横方向の両方向に沿って複数の線材１４１が垂直に織り込まれているが、各線材１４１の配置は適宜変更可能である。従って、メッシュ部材の織り方は、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、或いは、他の織り方であってもよい。

各線材１４１は、金属材料によって構成される。各線材１４１を構成する金属材料は特に制限されないが、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）やＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。線材１４１におけるＣｒの含有率は特に制限されないが、４〜３０質量％とすることができる。線材１４１は、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。線材１４１におけるＴｉの含有率は特に制限されないが、０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。線材１４１におけるＡｌの含有率は特に制限されないが、０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。線材１４１は、ＴｉをＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）として含有していてもよい。線材１４１の表面には、酸化クロム膜が形成されていてもよい。

各線材１４１の隙間（すなわち、目開き）は、第１電極１５に供給される燃料（例えば、メタノール）の流路として機能する。各線材１４１の隙間のサイズ（すなわち、目開き寸法）は特に制限されず、適宜設定すればよい。

本実施形態において、金属支持部材１４の一部は、第１電極１５に埋設されている。ただし、厚み方向（第１電極１５、電解質１６、及び第２電極１８の積層方向）において、金属支持部材１４の全体が第１電極１５に埋設されていてもよいし、金属支持部材１４は第１電極１５に埋設されていなくてもよい。

［第１電極１５］
第１電極１５は、一般的に燃料極と呼ばれるアノードである。セル１０の発電中、第１電極１５には、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。第１電極１５は、内部に燃料を拡散可能な多孔質体である。第１電極１５の気孔率は特に制限されない。第１電極１５の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜５００μｍとすることができる。

水素原子を含む燃料は、第１電極１５において水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と反応可能な燃料化合物を含んでいればよく、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。

燃料化合物としては、例えば、（ｉ）ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、及びカルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）等のヒドラジン類、（ｉｉ）尿素（ＮＨ_２ＣＯＮＨ_２）、（ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ_３）、（ｉｖ）イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール等の複素環類化合物、（ｖ）ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。これらの燃料化合物のうち炭素を含まない化合物（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等）は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため特に好適である。

燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び／又はアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等）に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。１，３，５−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び／又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば３０〜９９．９重量％であり、好ましくは６６〜９９．９重量％である。

また、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係るセル１０に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。

第１電極１５は、ＡＦＣに使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。第１電極１５及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、白金ルテニウム担持カーボン（ＰｔＲｕ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

第１電極１５の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質１６のアノード側表面１６Ｔに塗布することにより形成することができる。

ここで、図６は、第１電極１５の断面図である。図６では、セル１０の厚み方向に平行な断面が図示されている。

第１電極１５は、金属支持部材１４に係止されている。具体的には、第１電極１５は、金属支持部材１４の第１凹部Ｓ１１に係止される第１係止部１５１を有する。第１凹部Ｓ１１は、複数の線材１４１のうち交差する２本の線材１４１の間に形成される隙間である。このように、第１電極１５の一部が金属支持部材１４の隙間に係止されることによって、金属支持部材１４と第１電極１５との間に熱応力が発生したとしても、第１電極１５（すなわち、素子部）が金属支持部材１４から剥離することを抑制できる。

また、第１電極１５は、金属支持部材１４の第２凹部Ｓ１２に係止される第２係止部１５２をさらに有する。第２凹部Ｓ１２は、交差する２本の線材１４１の間に形成される隙間である。第２凹部Ｓ１２は、線材１４１を介して第１凹部Ｓ１１の反対側に位置する。このように、交差する２本の線材１４１の両側に第１及び第２係止部１５１，１５２が係止されることによって、金属支持部材１４に対する第１電極１５の係止力を増大させることができる。従って、第１電極１５が金属支持部材１４から剥離することをより抑制できる。

なお、金属支持部材１４の第１凹部Ｓ１１と２凹部Ｓ１２とが連なっている場合、第１電極１５の第１係止部１５１と第２係止部１５２とは一体的に形成されていてもよい。すなわち、交差する２本の線材１４１の間に環状の隙間が形成されている場合、第１及び第２係止部１５１，１５２は環状に形成された係止部の一部であってもよい。

また、図６に示すように、各線材１４１の断面は、面方向（厚み方向に垂直な方向）に延びる扁平状である。これにより、金属支持部材１４の厚み方向における柔軟性を向上させることができるため、金属支持部材１４が全体的或いは局所的に変形することによって、金属支持部材１４と第１電極１５との間に熱応力が発生することを更に抑制できる。各線材１４１の断面形状は特に制限されず、楕円状、矩形、短冊状などにすることができる。ただし、全ての線材１４１の断面が扁平である必要はなく、複数の線材１４１のうち少なくとも一部の線材１４１の断面が扁平状であればよい。

図６に示すように、一部の線材１４１は、第１電極１５の裏面から露出していてもよいし、第１電極１５の内部に埋まっていてもよい。

［電解質１６］
電解質１６は、第１電極１５と第２電極１８との間に配置される。電解質１６は、第１電極１５及び第２電極１８のそれぞれに接続される。電解質１６は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。

電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有する。セル１０の発電中、電解質１６は、第２電極１８側から第１電極１５側に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を伝導させる。電解質１６の水酸化物イオン伝導率は特に制限されないが、０．１ｍＳ／ｃｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍＳ／ｃｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍＳ／ｃｍ以上である。電解質１６の水酸化物イオン伝導率は、高いほど好ましく、その上限値は特に制限されないが、例えば１０ｍＳ／ｃｍである。

電解質１６は、緻密であることが好ましい。アルキメデス法で算出される電解質１６の相対密度は特に制限されないが、９０％以上が好ましく、より好ましくは９２％以上、さらに好ましくは９５％以上である。電解質１６は、例えば水熱処理によって緻密化することができる。

電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、水酸化物イオン伝導性を有する周知のセラミックスを用いることができるが、以下に説明する層状複水酸化物（ＬＤＨ：Ｌａｙｅｒｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）が特に好適である。

ＬＤＨは、Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ−ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオン、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１〜０．４、ｍは水のモル数を意味する任意の整数である）の一般式で示される基本組成を有する。Ｍ^２＋の例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋、Ｓｒ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｍｎ^２＋、及びＺｎ^２＋が挙げられ、Ｍ^３＋の例としては、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋、Ｔｉ^３＋、Ｙ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｍｏ^３＋、及びＣｒ^３＋が挙げられ、Ａｎ⁻の例としてはＣＯ_３ ^２−及びＯＨ⁻が挙げられる。Ｍ^２＋及びＭ^３＋としては、それぞれ１種単独で又は２種以上を組み合わせて用いることもできる。

ＬＤＨは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属ＭがＮｉ、Ａｌ、Ｔｉの場合には、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む。以下、ＬＤＨの水酸化物基本層がＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む場合について説明する。

ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ^３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。

ＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含む。

上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合、ＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋ _{１−ｘ−ｙ}Ａｌ^３＋ _ｘＴｉ^４＋ _ｙ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ− _{（ｘ＋２ｙ）／ｎ}・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

［第２電極１８］
第２電極１８は、一般的に空気極と呼ばれるカソードである。セル１０の発電中、第２電極１８には、酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。第２電極１８は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。第２電極１８の気孔率は特に制限されない。第２電極１８の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜２００μｍとすることができる。

第２電極１８は、ＡＦＣに使用される公知のカソード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８〜１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８〜１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。第２電極１８における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．０５〜１０ｍｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、０．０５〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。第２電極１８ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、白金コバルト担持カーボン（ＰｔＣｏ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

第２電極１８の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質１６のカソード側表面１６Ｓに塗布することにより形成することができる。

［セル１０の動作］
まず、第１電極１５に燃料を供給し、かつ、第２電極１８に酸化剤を供給しながら、セル１０を作動温度（例えば、５０℃〜２５０℃）まで加熱する。すると、第２電極１８においてＯ_２（酸素）が水及びｅ⁻（電子）と反応してＯＨ⁻（水酸化物イオン）が生成される。生成されたＯＨ⁻は、電解質１６を通って第１電極１５に移動する。第１電極１５に移動したＯＨ⁻は、燃料と反応して、Ｈ_２Ｏ（水）とＣＯ_２（二酸化炭素）とｅ⁻とが生成される。このような反応によって、第１電極１５と第２電極１８との間に起電力が発生する。

（他の実施形態）
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

［変形例１］
上記第１実施形態では、電気化学セルの一例として、Ｏ^２−（酸素イオン）をキャリアとする固体酸化物形燃料電池セル１について説明した。また、上記第２実施形態では、電気化学セルの一例として、ＯＨ⁻（水酸化物イオン）をキャリアとする固体アルカリ形燃料電池セル１０について説明した。しかしながら、電気化学セルとは、電気エネルギーを化学エネルギーに変えるため、全体的な酸化還元反応から起電力が生じるように一対の電極が配置された素子と、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるための素子との総称である。従って、電気化学セルには、例えば、プロトンをキャリアとする燃料電池や、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどが含まれる。

［変形例２］
上記第１及び第２実実施形態において、「機能膜」の一例である第１電極５，１５を金属支持部材４，１４（すなわちメッシュ部材）上に成膜することとしたが、金属支持部材４，１４上には電解質６，１６が成膜されていてもよい。この場合、第１電極５，１５及び電解質６，１６の少なくとも一方が第１係止部５１，１５１及び第２係止部５２，１５２のいずれかを有していればよい。例えば、電解質６，１６のみが第１係止部５１，１５１又は／及び第２係止部５２，１５２のいずれかを有していてもよいし、第１電極５，１５及び電解質６，１６の両方が第１係止部５１，１５１又は／及び第２係止部５２，１５２を有していてもよい。金属支持部材４，１４上に電解質６，１６を成膜する場合、金属支持部材４，１４の表面に電解質６，１６を成膜した後、金属支持部材４，１４の裏面側に第１電極５，１５を形成してもよい。この際、メッシュ部材の各目開き内に電解質６，１６が充填されていなければ、第１電極５，１５は各目開き内に充填されてもよいし、メッシュ部材の各目開き内に電解質６，１６が充填されていれば、第１電極５，１５は膜状に成膜されてもよい。また、金属支持部材４，１４上に電解質６，１６を成膜する場合、各線材４１，１４１の表面に電極触媒が担持された金属支持部材４，１４を準備し、この金属支持部材４，１４上に電解質６，１６を成膜してもよい。この場合、各線材４１，１４１の表面に担持された電極触媒が第１電極を構成する。

［変形例３］
上記第１及び第２実施形態において、金属支持部材４，１４の線材４１，１４１は、基材及び酸化クロム膜によって構成されることとしたが、金属支持部材４，１４の最表面には被覆膜が形成されていてもよい。被覆膜を構成する材料としては、セラミックス材料及び金属材料などを用いることができる。

［変形例４］
上記第１実施形態において、セル１は、反応防止膜７を含むこととしたが、反応防止膜７を含んでいなくてよい。

［変形例５］
上記第１及び第２実施形態において、第１電極５，１５はアノードとして機能し、第２電極８，１８はカソードとして機能することとしたが、第１電極５，１５がカソードとして機能し、第２電極８，１８がアノードとして機能してもよい。この場合、第１電極５，１５と第２電極８，１８の構成材料を入れ替えるとともに、第１電極５，１５に燃料を供給するとともに、第２電極８，１８に酸化剤を供給すればよい。

［変形例６］
上記実施形態において、金属支持部材４はメッシュ部材であることとしたが、これに限られない。金属支持部材４は、複数の貫通孔が形成された板部材であってもよいし、複数の貫通孔を有する多孔質金属によって構成されていてもよい。この場合、貫通孔どうしが互いに連通することによって、第１凹部Ｓ１及び／又は第２凹部Ｓ２が形成される。

１，１０ セル
４，１４ 金属支持部材（メッシュ部材）
４１，１４１ 線材
Ｓ１，Ｓ１１ 第１凹部
Ｓ２，Ｓ１２ 第２凹部
５，１５ 第１電極
５１，１５１ 第１係止部
５２，１５２ 第２係止部
６，１６ 電解質
７ 反応防止膜
８，１８ 第２電極

Claims (7)

1. 金属支持部材と、
   前記金属支持部材によって支持される第１電極と、
   第２電極と、
   前記第１電極と第２電極との間に配置される電解質と、
   を備え、
   前記第１電極及び前記電解質のうち少なくとも一方の機能膜は、前記金属支持部材に係止されている、
   電気化学セル。
2. 前記金属支持部材は、金属材料によって構成される複数の線材を織り込むことによって形成されたメッシュ部材である、
   請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記金属支持部材は、前記複数の線材のうち交差する２本の線材の間に形成される第１凹部を有し、
   前記機能膜は、前記第１凹部に係止される第１係止部を有する、
   請求項１又は２に記載の電気化学セル。
4. 前記金属支持部材は、前記２本の線材の間に形成され、前記第１凹部の反対側に位置する第２凹部を有し、
   前記機能膜は、前記第２凹部に係止される第２係止部を有する、
   請求項３に記載の電気化学セル。
5. 前記複数の線材のうち少なくとも一部の線材の断面は、前記機能膜の面方向に延びる扁平状である、
   請求項２乃至４のうちいずれかに記載の電気化学セル。
6. 前記電解質は、酸素イオン伝導性を有する、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の電気化学セル。
7. 前記電解質は、水酸化物イオン伝導性を有する、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の電気化学セル。

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